Pri navrhovaní elektronických obvodov alebo PCB je dôležité vybrať správne komponenty a správny typ komponentov pre konkrétnu aplikáciu. Samozrejme, nie vždy je to mimoriadne dôležité, napríklad v prípade pull-up rezistora mikrokontrolérov, 9kΩ alebo 10kΩ pull-up rezistor splní svoju úlohu bez ohľadu na to. V prípade kryštálov je dosť dôležitý výber správnych kondenzátorov, ktoré sa spárujú s konkrétnym kryštálom a zabezpečia, aby ste z neho získali čo najstabilnejšiu frekvenciu.

Možno si práve teraz myslíte: "Jednoduchá schéma, ktorú mám, navrhuje 2 x 22pF kondenzátory pre 16MHz kryštál, takže môžem jednoducho použiť rovnaké, však?". No... bohužiaľ nie vždy. Medzi kryštálmi sú totiž obrovské rozdiely, dokonca aj keď porovnávate tie s rovnakou frekvenciou alebo od rovnakého výrobcu, a kondenzátory, ktoré si vyberiete, musia byť prispôsobené požiadavkám konkrétneho kryštálu, ktorý ste si kúpili.

Našťastie výber správnej hodnoty kondenzátora je v skutočnosti celkom jednoduchý a keď sa naučíte niečo z teórie (alebo aspoň zistíte, kde získať správne vstupné parametre), vytvorili sme jednoduchú kalkulačku, ktorá vám pomôže rýchlo rozbehnúť vaše návrhy!

Rovnica pre prepočet

C1 a C2 sú dva kondenzátory medzi kryštálom a zemou a oba by mali mať rovnakú hodnotu.

C1, C2 = 2 * CL - 2 * C_stray

Všeobecne sa uvádza pravidlo, že treba začať s dvoma kondenzátormi s dvojnásobnou kapacitou záťaže kryštálu. Za predpokladu kryštálu s kapacitou 12,5pF by to bolo 25pF pre C1, C2 a dostaneme:

CL = (25pF * 25pF) / (25pF + 25pF) + 5pF = 17,5pF

17,5pF by bolo výrazne viac ako požadovaných 12,5pF. Zníženie C1 a C2 na 15pF dáva:

CL = (15pF * 15pF) / (15pF + 15pF) + 5pF = 12,5pF

Vždy však musíme nájsť kompromis medzi vypočítanými hodnotami a štandardnými hodnotami kondenzátorov, ako aj poznať skutočnú hodnotu C_stray.

Záťažová kapacita (CL)

Začnime tým najjednoduchším. Záťažová kapacita je kapacita potrebná na rozkmitanie kryštálu a účinne vytvára LC obvod s vnútornou indukčnosťou kryštálu. Našťastie pre nás je kapacita záťaže vždy uvedená v technickom liste kryštálov. Ak si zoberieme ako príklad tento kryštál NDK 12 MHz, vidíme, že uvedená kapacita záťaže je 8pF.

Bludná kapacita (Cstray)

Túlavú kapacitu je trochu zložitejšie určiť, hoci máme celkom dobré pravidlo, ktoré môžete použiť. Všetko na vašej doske plošných spojov a v jej okolí vrátane stôp a vodičov súčiastok má určitú bludnú kapacitu. Ich kombinovaný súčet sa vyjadruje pomocou C_stray. Drahším riešením pokiaľ chcete zistiť hodnotu C_stray je, by ste mali vytvoriť prototyp vašej dosky plošných spojov so všetkými finálnymi komponentmi, kúpiť drahé vysoko presné zariadenie na meranie kapacity a pustiť sa do merania všetkých rozptýlených kapacít na vašej doske. Alebo... môžete len hádať.

Zvyčajne sa však hodnota C_stray bude pohybovať v rozmedzí 2 až 5pF, pokiaľ dodržiavate správne zásady pri návrhu dosky plošného spoja. Udržujte kryštál čo najbližšie k príslušným pinom na mikrokontroléri, obmedzte dĺžku dráhy na minimum a vyhnite sa priechodom na ceste.

Pri C_L=12,5pF a C_stray=5pF nám tento vzorec dáva C1, C2 = 15pF, teda takmer to isté ako z vyššie uvedenej rovnice.

Na záver sa vždy odporúča overiť skutočnú frekvenciu kryštálového oscilátora v konečnom návrhu a v prípade potreby upraviť hodnoty kondenzátorov. Meranie priamo na kryštáli napr. pomocou osciloskopu môže byť rozhodujúce, pretože sonda vnesie do oscilátora ďalšiu kapacitnú záťaž, čo vedie k odchýlke frekvencie. Lepším prístupom by mohlo byť generovanie výstupného hodinového signálu na niektorom GPIO v softvéri odvodenom od kryštálového oscilátora a meranie jeho frekvencie.