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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Quarz Platinenlayout: GUARD RING?


Autor: Gast (Gast)
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Hallo,

In de App Not "AVR186: Best Practices for the PCB layout of
Oscillators" steht folgendes:

In case there is only one PCB layer, it is recommended to place a guard 
ring around the
oscillator components and to connect it to the oscillator ground pin


Mir ist nicht ganz klar wa damit gemeint ist. Könnte mir da jemand 
weiter helfen?

Danke

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

heißt Massefläche um die Leiterbahnen des Quarzes. Evtl auch Gehäuse vom 
Quarz auf Masse.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>In case there is only one PCB layer, it is recommended to place a guard
>ring around the oscillator components and to connect it to the
>oscillator ground pin.
>
>Mir ist nicht ganz klar wa damit gemeint ist. Könnte mir da jemand
>weiter helfen?

Du sollst einfach eine Leiterbahn um die Oszillatorbauteile (Quarz, 
Burdencaps) herumführen und mit dem GND-Pin des Mikrocontrollers 
verbinden, quasi als Schirm. Das soll verhindern, daß digitale 
Störsignale aus der unmittelbaren Nachbarschaft die Funktion des 
Oszillators stören.

Aber, wenn du es wirklich gut machen willst, dann verwendest du 
mindestens eine doppelseitige Platine mit zumindest einer lokalen 
Massefläche unter dem Oszillator.

Kai Klaas

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> zumindest einer lokalen Massefläche unter dem Oszillator.
Aber dann schon mit der "richtigen" Masse.
Nicht mit einer, die von irgendwelchen Lastströmen verseucht ist, die 
dann wieder in den Oszillatorkreis einkoppeln können.
In Bildern dort: http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/33-Quarz

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Lothar,

>In Bildern dort: http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/33-Quarz

Also, die beiden Bilder von deinem Link gefallen mir nicht so gut. Eine 
Massefläche unter den Oszillatorbauteilen ist ein Muß, weil sonst die 
Verbindungen strahlen und auch nicht abgeschirmt sind.

Im unteren Bild würde das Quarzgehäuse viel weniger strahlen, wenn du es 
mit einer durchgehenden Massefläche verbinden würdest. In deiner Version 
findet das gefürchete "pig-tailing" statt. Dabei legen die 
Spannungsabfälle der Ströme durch die Burdencaps und die Masserückströme 
vom Quarzgehäuse die Massefläche unter dem Quarzgehäuse hoch.

Du hast Recht, wenn du sagst, daß digitale Signale nicht in 
unmittelbarer Nähe des Oszillators oder unter den zugehörigen Bauteilen 
geroutet werden sollten.

Die Anschlüsse sollten generell so kurz wie irgendmöglich ausgeführt 
werden, beispielsweise wie im Anhang für bedrahtete Bauteile gezeigt. 
(In diesem Beispiellayout sind keine anderen Leiterbahnen und auch nicht 
die sonst üblichen Vias gezeichnet!)

Kai

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Eine Massefläche unter den Oszillatorbauteilen ist ein Muß, weil sonst die
> Verbindungen strahlen und auch nicht abgeschirmt sind.
Dann mußt du auch einen Deckel drauf bauen...   :-o

> Im unteren Bild würde das Quarzgehäuse viel weniger strahlen,
> wenn du es mit einer durchgehenden Massefläche verbinden würdest.
Schlecht für EMV-Abstrahlung ist, wenn der Quarz auf eine "allgemeine" 
Massefläche einkoppelt, und die als Antenne nimmt. Es ist ein Irrglaube, 
zu meinen, wenn eine Störung mal auf Masse ist, dann ist sie nicht mehr 
da.

> Dabei legen die Spannungsabfälle der Ströme durch die Burdencaps und die
> Masserückströme vom Quarzgehäuse die Massefläche unter dem Quarzgehäuse
> hoch.
Hast du das gemessen? Ich habe Messungen zum Thema gemacht...
Deine Lösung schneidet da denkbar schlecht ab.
Allerdings ist wenigstens die Ankopplung der Lastkondensatoren sehr gut.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Ich habe Messungen zum Thema gemacht...

Was hast du für Messungen gemacht?

Kai

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Lothar,

>>Eine Massefläche unter den Oszillatorbauteilen ist ein Muß, weil sonst >>die 
Verbindungen strahlen und auch nicht abgeschirmt sind.

>Dann mußt du auch einen Deckel drauf bauen...

Wie dieses Diagramm zeigt, kann eine Massefläche die Kapazität zwischen 
benachbarten Signalen und damit die kapazitive Kopplung sehr effektiv 
verringern.

Für von außen auf die Platine angreifende elektrische Felder hilft die 
Massefläche unter den Signalen ebenfalls, indem sie dafür sorgt, daß die 
meisten Feldlinien auf der Massefläche enden und nur ein Bruchteil auf 
den Leiterbahnen. Also, die Massefläche wirkt abschirmend auch ohne 
Deckel. Sie muß nur durchgehend sein!

Kai

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Dein oberes Bild zeigt einen Quarz ohne Massefläche:

http://www.lothar-miller.de/s9y/uploads/Bilder/Quarz.gif

Atmel, beispielsweise, empfiehlt dagegen, immer eine Massefläche unter 
dem Oszillator zu plazieren, wie der Anhang zeigt.

Dies nicht nur wegen der Abstrahlung, sondern vor allem zur Abschirmung 
gegen Störungen.

Kai

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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>Wie dieses Diagramm zeigt,

Schön, aber eine Quellenangabe wäre schon angebracht.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Auch die "application note AVR186" selbst

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/...

empfiehlt zur Abschirmung eine Massefläche unter dem Oszillator.

Kai

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Stefan,

>Schön, aber eine Quellenangabe wäre schon angebracht.

Stammt aus einer alten Application Note von Philips:

http://eupt2.unizar.es/asignaturas/ittse/Diseno_el...

Kai Klaas

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Kai Klaas schrieb:
> Dein oberes Bild zeigt einen Quarz ohne Massefläche:
>
> http://www.lothar-miller.de/s9y/uploads/Bilder/Quarz.gif
>
> Atmel, beispielsweise, empfiehlt dagegen, immer eine Massefläche unter
> dem Oszillator zu plazieren, wie der Anhang zeigt.
>
> Dies nicht nur wegen der Abstrahlung, sondern vor allem zur Abschirmung
> gegen Störungen.
>
> Kai

Ja, schon. Aber da steht "local plane". Das heißt eine kleine 
Abschirmfläche dir nur dort lokal ist und an einer Stelle mit dem Rest 
der Ground plane verbunden ist. Das muss so sein, weil sonst 
hohe/störende Ströme durch die Ground plane fließen könnte, die ja dann 
keine Abschirmung mehr ist, sondern Antenne. Hat er aber auch oben 
geschrieben.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Simon,

>Ja, schon. Aber da steht "local plane".

Lies noch mal genau den Anhang. Im Satz vor dem rot unterstichenen 
steht, daß die Burdencaps direkt mit der Massefläche verbunden werden 
sollen. Erst danach kommt die Einschränkung, was zu tun ist, wenn das 
Board keine Massefläche hat, dann nämlich zumindest eine lokale 
Massefläche vorzusehen.

Kai

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Was hast du für Messungen gemacht?
EMV Abstrahlung zum Thema Block-Kondensatoren, Schaltregler und 
Oszillatoren

> Stammt aus einer alten Application Note von Philips:
Ja, alte App-Notes gibts auch, da werden einfach 
100nF-Entkopplungs-kondensatoren in die Nähe der Chips verbaut. Heute 
weiß man das besser, und entkoppelt direkt den Stromfluss im/am IC mit 
Kondensatoren ab 1nF aufwärts (je nach Störfrequenz) ...

> Dein oberes Bild zeigt einen Quarz ohne Massefläche:
> http://www.lothar-miller.de/s9y/uploads/Bilder/Quarz.gif
Richtig, aber bitte nicht ganz aus dem Zusammenhang reissen  ;-)
Am schlechtesten schneidet bei EMV-Messungen das Oszilatorlayout ab, das 
auf irgendeine Art in die "allgemeinen" Versorgungslayer (GND, Vcc) 
einkoppeln kann.

> Also, die Massefläche wirkt abschirmend auch ohne Deckel.
> Sie muß nur durchgehend sein!
In welcher Weise sollte die Massefläche denn schirmen? Indem sie die 
Störstrahlung aufnimmt? Und wenn sie die dann hat: wohin damit? In 
Wirbelstromverluste umwandeln?
Nein, diese Störstrahlung wird postwendend an die Umgebung abgestrahlt.

EDIT:
> Im Satz vor dem rot unterstichenen steht, daß die Burdencaps
> direkt mit der Massefläche verbunden werden sollen.
Ganz besonders steht im Satz nach dem unterstrichenen, dass diese Fläche 
direkt mit dem Massepin des uCs verbunden werden soll.
Man könnte es ohne diese Tipps noch wesentlich schlechter machen  :-o

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Lothar,

>> Dein oberes Bild zeigt einen Quarz ohne Massefläche:
>> http://www.lothar-miller.de/s9y/uploads/Bilder/Quarz.gif
>Richtig, aber bitte nicht ganz aus dem Zusammenhang reissen  ;-)
>Am schlechtesten schneidet bei EMV-Messungen das Oszilatorlayout ab, das
>auf irgendeine Art in die "allgemeinen" Versorgungslayer (GND, Vcc)
>einkoppeln kann.

Dein oberes Bild zeigt einen Oszillator gänzlich ohne Massefläche. In 
allen Publikationen zu diesem Thema wird eine Massefläche unter dem 
Oszillator dringend empfohlen und sei es nur eine lokale. Lies bitte was 
beispielsweise in der AVR186 steht über die Hochohmigekt des 
Oszillator-Eingangs und über die Notwendigkleit den Oszillator mit einer 
Massefläche (zumindest einer lokalen) abzuschirmen.

Was ziehe ich hier aus dem Zusammenhang? Empfiehlst du jetzt eine 
(zumindest lokale) Massefläche unter dem Oszillator oder sagst du, daß 
es besser ist sie wegzulassen?


>In welcher Weise sollte die Massefläche denn schirmen?

Hallo? Du weißt nicht wie eine Massefläche schirmt?

Kai

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Lothar Miller schrieb:
>> Also, die Massefläche wirkt abschirmend auch ohne Deckel.
>> Sie muß nur durchgehend sein!
> In welcher Weise sollte die Massefläche denn schirmen? Indem sie die
> Störstrahlung aufnimmt? Und wenn sie die dann hat: wohin damit? In
> Wirbelstromverluste umwandeln?
> Nein, diese Störstrahlung wird postwendend an die Umgebung abgestrahlt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Faradayscher_K%C3%A4fig

Autor: the boogieman (Gast)
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Mein Gott, wenn da keine enge Kopplung zur jeweiligen rückführenden 
Leitung ist (hin und wieder die sog. Masse) dann spannt man u.U. eine 
beachtliche Leiterschleife auf. Ergo produziert man Störungen und wird 
empfindlichen gegenüber solchen.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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@  Simon K.
Zitat:
Der Faradaysche Käfig (auch Faraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle ... usw. usf.
Hmmmm ...


> dann spannt man u.U. eine beachtliche Leiterschleife auf.
Richtig: die 3 Stromschleifen im Quarzoszillator gilt es klein zu halten 
und die Ströme nicht auf der ganzen Platine herumzuscheuchen. Damit ist 
schon das meiste gewonnen.

>> In welcher Weise sollte die Massefläche denn schirmen?
> Hallo? Du weißt nicht wie eine Massefläche schirmt?
Doch, aber man kann eine Fläche (egal ob sie Masse oder Vcc oder Antenne 
heißt) auch super zur Abstrahlung und zum Empfang von Störungen 
verwenden.

> Empfiehlst du jetzt eine (zumindest lokale) Massefläche unter dem
> Oszillator oder sagst du, daß es besser ist sie wegzulassen?
Für meine Schaltungen gilt:
Am besten: mache eine lokale Fläche unter dem Quarz und führe die über 
den Oszillator-GND-Anschluss des uCs auf GND.
Wenn das nicht geht: stelle den Quarz komplett frei.
Auf keinen Fall: führe den Quarz auf "die Masse", in der alle möglichen 
Ströme herumvagabundieren.
In jedem Fall: sorge dafür, dass keine anderen Signale unter dem Quarz 
durchgehen.

Damit fahre ich gut damit, die Schaltungen funktioneren und ich habe 
keine Probleme bei den EMV-Messungen   ;-)

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Hallo Lothar,

>Hmmmm ...
Wahrscheinlich hast du dir nicht einmal die Mühe gemacht, die Grafik, 
die ich im Anhang noch einmal anfüge, auch nur anzuschauen. Versuch zu 
verstehen, was dort gezeigt wird. Versuch zu verstehen, wieso eine 
einseitige Massefläche zwei Signale voneinander abschirmen kann, auch 
ohne daß ein Faradayischer Käfig benutzt wird. Ein Tipp: Die Kapazität 
zwischen den Signalen, also das, was zwei Siganle kapazitiv koppelt und 
empfindlich macht für gegenseitige kapazitive Einkopplungen geht bei der 
Anordnung mit der Massefläche gegen Null. Anschaulich betrachtet heißt 
das, daß die elektrischen Feldlinien der beiden Leiter beinahe zur Gänze 
auf der Massefläche enden und sich kaum noch eine Feldlinie zum 
benachbarten Leiter verirrt.

>Doch, aber man kann eine Fläche (egal ob sie Masse oder Vcc oder Antenne
>heißt) auch super zur Abstrahlung und zum Empfang von Störungen
>verwenden.
Ja, aber ein Rückstrom in einer Massefläche strahlt doch immer erheblich 
geringer, als der gleiche Rückstrom entlang einer dünnen Leiterbahn. Das 
erschließt sich doch auch ohne jegliche Berechnung. Warum werden sonst 
wohl überhaupt Masseflächen verwendet?

Der eigentliche Vorteil der Massefläche beim Quarzoszillator ist die 
Abschirmung gegen elektrische Felder, die sonst kapazitiv in den 
Oszillatoreingang einkoppeln und schwere Störungen machen können. Schau 
dir noch mal die Grafik im Anhang an und versuche zu verstehen, wie die 
Massefläche als Abschirmung funktioniert.

>Am besten: mache eine lokale Fläche unter dem Quarz und führe die über
>den Oszillator-GND-Anschluss des uCs auf GND.
>Wenn das nicht geht: stelle den Quarz komplett frei.
Warum sollte das nicht gehen, wenn du das Layout machst?

>Auf keinen Fall: führe den Quarz auf "die Masse", in der alle möglichen
>Ströme herumvagabundieren.
Warum hast du solche Panik vor der Masse auf der ja angeblich soviele 
Ströme vagabundieren? Es ist der ruhigste Ort auf deiner Leiterplatte! 
Natürlich ändert sich das, wenn du Aussparungen in deiner Massefläche 
machst.

>In jedem Fall: sorge dafür, dass keine anderen Signale unter dem Quarz
>durchgehen.
Das ist richtig!

>Damit fahre ich gut damit, die Schaltungen funktioneren und ich habe
>keine Probleme bei den EMV-Messungen
Dann muß ja alles richtig sein, nicht wahr? Aber du empfiehlst mit dem 
Weglassen der Massefläche etwas, was im Widerspruch zu den Empfehlungen 
aller Hersteller steht. Kein guter Rat für einen Anfänger...

Ich muß zugeben, daß ich beim Studium der einzelnen 
Herstellerempfehlungen auch Passagen gefunden habe, in der eine 
abgesetzte Massefläche, also ein lokale Massefläche innerhalb einer 
globalen, angeraten wird. Das ist immer auch eine Frage der aktuell 
herrschenden Lehrmeinung und damit des Erscheinungsdatums der 
Applikation Note. Aber nicht ein einzige empfiehlt die Massefläche 
wegzulassen, sondern ganz im Gegenteil.

Kai

Autor: Tommy (Gast)
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Oh Mann, ich weiß. Ich grab nen Uralten Text aus, aber das Thema passt. 
Was anders habe ich nicht in der Suchfunktion gefunden.

Mal was zum grundsätzlichen Verständnis:

Ein Guard Ring wird nur für den Oszillator verwendet?

Wenn ich auf meiner Schaltung einen µC mit einem Oszillator betreibe, 
muss ich mir dann um den µC keine Sorgen zwecks Abschirmung machen? Der 
Controller arbeitet dann doch genauso wie der Quarz mit einer Taktung 
(z.B. 8mhz).

Kann ich unter dem µC bedenkenlos Leitungen verlegen? Trifft dies nur 
auf Signalleitungen zu, oder auch auf Versorgungsleitungen (in die die 
Störfrequenz doch auch eingestrahlt wird)?
In einem Datenblatt habe ich sogar die Empfelung gelesen, die 
Versorgungsleitungen unter dem µC herzuführen, um die Schleifen klein zu 
halten. Ist dies aus EMV Sicht wirklich empfehleswert?

Muss der Guard Ring (oder z.B. die Massefläche auf einem 2 lagigen 
Board) nicht auch den µC abschirmen?

Über Meinungen und Denkanstöße würde ich mich freuen.

Grüße!

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Tommy schrieb:
> Ich grab nen Uralten Text aus, aber das Thema passt.
> Was anders habe ich nicht in der Suchfunktion gefunden.
Du hättest eher nach Entkopplungskondensator oder Blockkondensator oder 
Abblockkondensator suchen müssen...

> Kann ich unter dem µC bedenkenlos Leitungen verlegen? Trifft dies nur
> auf Signalleitungen zu, oder auch auf Versorgungsleitungen (in die die
> Störfrequenz doch auch eingestrahlt wird)?
Ja und ja.
Auf deinen Versorgungsplanes sollten keine Störungen sein, denn die sind 
ja durch die Blockkondensatoren schon an den IC-Pins abgefertigt worden.

> In einem Datenblatt habe ich sogar die Empfelung gelesen, die
> Versorgungsleitungen unter dem µC herzuführen, um die Schleifen klein zu
> halten. Ist dies aus EMV Sicht wirklich empfehleswert?
Es gibt etwa 1234567 verschiedene Theorien, wie das richtig wäre. 
Wichtig ist, dass idealerweise gar keine Störungen aus den 
Versorgungsanschlüssen des ICs herauskommen. Weil sie das aber doch tun, 
müssen sie gleich dort am Schopf gepackt und mit den erwähnten 
Blockkondensatoren aufgeräumt werden.

Der Klassiker ist zu finden im 
Beitrag "Abblockkondensatoren, wie routen?"
;-)

Autor: Loonix (Gast)
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Kai Klaas schrieb:
>>Damit fahre ich gut damit, die Schaltungen funktioneren und ich habe
>>keine Probleme bei den EMV-Messungen
> Dann muß ja alles richtig sein, nicht wahr? Aber du empfiehlst mit dem
> Weglassen der Massefläche etwas, was im Widerspruch zu den Empfehlungen
> aller Hersteller steht. Kein guter Rat für einen Anfänger...

Zu dem nicht mehr ganz frischen Beitrag möchte ich auch noch was 
loswerden. Ich habe vor kurzem ein vierlagiges Layout erstellt und im 
Vorfeld die Homepage von Lothar Miller besucht. Ich habe seine Methoden 
angewandt, d.h. sie nicht einfach kopiert sondern nachvollzogen. Das 
Ergebnis war ein EMV-Testergebnis mit -20dB bei Abstrahlung und 
ordentlichem Abstand gegen Störeinstrahlung.

>Kein guter Rat für einen Anfänger...

Mein Fazit ist, dass es allemal sinnvoller ist den Empfehlungen eines 
echten Praktikers wie Lothar zu folgen als sich auf 
Hersteller-Dokumentation zu verlassen.

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