Quarz Platinenlayout: GUARD RING?

Hallo

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

>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

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

>Ich habe Messungen zum Thema gemacht...

Was hast du für Messungen gemacht?

Kai

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

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

>Wie dieses Diagramm zeigt,

Schön, aber eine Quellenangabe wäre schon angebracht.

Auch die "application note AVR186" selbst

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8128.pdf

empfiehlt zur Abschirmung eine Massefläche unter dem Oszillator.

Kai

Hallo Stefan,

>Schön, aber eine Quellenangabe wäre schon angebracht.

Stammt aus einer alten Application Note von Philips:

http://eupt2.unizar.es/asignaturas/ittse/Diseno_electronico/ESG89001philips.pdf

Kai Klaas

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

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

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.

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

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!

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.