Перейти к содержанию

Нагрузочная ёмкость кварца

Нагрузочная ёмкость — параметр кварцевого резонатора, который указывают в его даташите: при этой ёмкости, подключённой к выводам, кварц работает точно на номинальной частоте. По ней подбирают два конденсатора у кварца на плате микроконтроллера.

Обновлено Редакция GAW

Нагрузочная ёмкость (load capacitance, CL) — ёмкость, которую должна создавать внешняя цепь на выводах кварцевого резонатора, чтобы он работал на частоте, указанной в даташите. Частота кварца в генераторе слегка зависит от подключённой к нему ёмкости, поэтому производитель калибрует резонатор при определённой нагрузке: например, 12 или 18 пФ у кварцев на 8 МГц, 6 или 12,5 пФ у часовых кварцев 32 768 Гц.

Подбор конденсаторов

В генераторе микроконтроллера нагрузку создают два конденсатора от выводов кварца на общий провод вместе с паразитной ёмкостью Cs выводов и дорожек:

CL=C1 C2C1+C2+Cs,C1=C2=2 (CL−Cs)C_L = \frac{C_1 \, C_2}{C_1 + C_2} + C_s, \qquad C_1 = C_2 = 2 \, (C_L - C_s)

На компактной плате Cs — около 3–5 пФ, ST в даташитах STM32 предлагает 10 пФ как грубую оценку. Конденсаторы берут керамические с диэлектриком C0G (NP0), ёмкость которых не зависит от температуры и напряжения. Номиналы, уход частоты и запас генератора считает калькулятор конденсаторов кварца.

Частота и запуск генератора

  • Уход частоты. Меньшая нагрузка ускоряет кварц, большая — замедляет. Для UART допуск — проценты, и десятки ppm не важны (см. скорость передачи), а для часов реального времени важна каждая миллионная доля.
  • Запуск. Чем больше CL, тем большая крутизна нужна усилителю генератора. ST в AN2867 требует запас по усилению не меньше 5. Особенно это важно для часовых кварцев 32 768 Гц с экономичными генераторами: тот же резонатор с CL = 12,5 пФ вместо 6 пФ требует в 3,5 раза большей крутизны.

Настройку тактирования STM32 от внешнего кварца поможет проверить калькулятор тактирования STM32.

Частые вопросы

Какие конденсаторы ставить к кварцу 8 МГц?

Это зависит не от частоты, а от нагрузочной ёмкости конкретного кварца. Для CL = 18 пФ и паразитной ёмкости около 5 пФ нужно по 2 · (18 − 5) = 26 пФ — ближайший номинал 27 пФ. Для CL = 12 пФ — по 14 пФ, то есть 15 пФ. CL указан в даташите кварца.

Почему конденсаторы считают как 2 · (CL − Cs)?

Для кварца конденсаторы C1 и C2 включены последовательно через общий провод, а параллельно им добавляется паразитная ёмкость выводов и дорожек Cs. Два одинаковых конденсатора последовательно дают половину ёмкости одного, отсюда C1 = C2 = 2 · (CL − Cs).

Что будет, если ошибиться с конденсаторами?

Частота уйдёт на десятки миллионных долей: меньшая нагрузка ускоряет кварц, большая — замедляет. Для UART это несущественно, а для часов реального времени уход 20 ppm — около 52 секунд в месяц. Если ёмкость сильно завышена, генератору нужна большая крутизна, и он может не запуститься.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN2867: Guidelines for oscillator design on STM8AF/AL/S and STM32 MCUs/MPUs — CL = C1·C2/(C1 + C2) + Cs, критическая крутизна, запас по усилению не меньше 5
  2. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319) — паразитная ёмкость выводов и платы — 10 пФ как грубая оценка
  3. E. Vittoz. Low-Power Crystal and MEMS Oscillators. Springer, 2010 — модель кварца и зависимость частоты от нагрузочной ёмкости

Нашли ошибку?

Смотрите также