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Quarz

Ein Quarz gibt einem Chip eine genaue Taktfrequenz vor, mit zwei kleinen Lastkondensatoren nach Masse. Module wie der ESP32 haben schon einen eingebaut.

Was er macht#

Ein Quarz schwingt auf genau einer Frequenz. Die Oszillatorpins des Chips (XIN/XOUT) treiben ihn an, und der Quarz macht die Schwingung genau genug für USB-Timing und serielle Schnittstellen. Die Teile mit 12 MHz im Katalog braucht ein nackter RP2040. Module (ESP32-WROOM, XIAO, Pico) haben ihren Quarz schon drauf: Dieses Bauteil begegnet dir nur, wenn du einen nackten Chip verwendest.

Lastkondensatoren#

Das Datenblatt des Quarzes nennt eine Lastkapazität CL. Jeder Pin bekommt einen Kondensator nach GND von etwa:

C = 2 × (CL − C_stray), mit C_stray ≈ 3–5 pF.

Der Katalog hat zwei Quarze mit 12 MHz mit unterschiedlicher CL, also brauchen sie unterschiedliche Kondensatoren:

Quarz CL Kondensatoren Einsatz
Abracon ABM8-272-T3 (C20625731) 10 pF 15 pF, dazu 1 kΩ in XOUT nackter RP2040, wie im Design-Guide von Raspberry Pi
YXC X322512MSB4SI (C9002) 20 pF 33 pF andere Chips; Basic-Teil

Beide Zahlen stimmen, für verschiedene Quarze. Der Guide von Raspberry Pi nutzt den ABM8-272-T3 (CL = 10 pF): zwei 15 pF in Reihe ergeben 7.5 pF, dazu etwa 3 pF von Pins und Leiterbahnen, zusammen 10.5 pF. C9002 ist für 20 pF spezifiziert: 2 × (20 − 4) = 32 pF → 33 pF C0G. Wer die Kondensatoren zwischen den beiden Quarzen vertauscht, verschiebt die Frequenz und riskiert, dass der Oszillator nicht anschwingt.

Beispielschaltung: Der Quarz mit 20 pF (C9002) zwischen XIN und XOUT, 33 pF C0G von jeder Seite nach GND; die Gehäusepins (2, 4) an GND.
Der Quarz mit 20 pF (C9002) zwischen XIN und XOUT, 33 pF C0G von jeder Seite nach GND; die Gehäusepins (2, 4) an GND. Öffne das Beispiel crystal_12mhz von dieser Seite in PCB Canvas: „In meinen Schaltplan einfügen“.

Die Quarzschaltung des RP2040#

Der Oszillator des RP2040 treibt den Quarz bei 3.3 V kräftig an, deshalb setzt Raspberry Pi 1 kΩ in Reihe zu XOUT. Zusammen mit dem maximalen ESR des Quarzes von 50 Ω bleibt die Treiberleistung im sicheren Bereich. Der Guide verlangt genau diesen Quarz und diese Schaltung; jeder andere Quarz muss über den Temperaturbereich getestet werden.

Beispielschaltung: ABM8-272-T3 mit 15 pF auf jeder Seite; XOUT erreicht den Quarz über 1 kΩ, XIN direkt.
ABM8-272-T3 mit 15 pF auf jeder Seite; XOUT erreicht den Quarz über 1 kΩ, XIN direkt. Öffne das Beispiel rp2040_crystal von dieser Seite in PCB Canvas: „In meinen Schaltplan einfügen“.

Stolperfallen#

  • Falsche Lastkondensatoren verschieben die Frequenz oder der Oszillator schwingt gar nicht an.
  • Layout: Quarz und Kondensatoren direkt neben die Pins des Chips, kurze Leiterbahnen, Masse darunter, keine Signale dazwischen.
  • Ein zweiter Lieferant für den ABM8-272-T3 ist kein direkter Ersatz: YXC X322512MMB4SI (C50430) hat zwar auch CL = 10 pF, aber einen ESR von 80 Ω, und der Guide warnt, dass ein höherer ESR mit dem Widerstand von 1 kΩ die Amplitude senkt.

Footprint#

SMD 3.2 × 2.5 mm mit 4 Pads (C9002 Basic, C20625731 Extended). Heißluft oder eine feine Lötspitze.