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Forum: Platinen Masselayout von Quarz und Mikrocontroller


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Autor: Roland (Gast)
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Hallo Experten,

bei meinen bisherigen Platinenlayouts hatte ich mir wenig Gedanken über 
das Routen der Quarzleitungen bei Mikrocontrollerschaltungen gemacht und 
einfach die Grundregeln des Layoutentwurfs berücksichtigt – räumliche 
Nähe und direkte Verbindung.
Obwohl ich damit eigentlich nie Probleme hatte, möchte ich es nun 
dennoch richtig machen. Dazu habe ich mir hier im Forum diverse Beiträge 
durchgelesen, sowie die Designempfehlungen bekannter 
Mikrocontrollerhersteller angesehen. Auch wenn ich glaube, nun zu wissen 
wie man das Layout rund um den Quarz richtig gestaltet, stellen sich mir 
dennoch ein paar Fragen, die Ihr mir bestimmt beantworten könnt.

Nach meiner Erkenntnis sollten bei einer zweilagigen SMD-Platine 
zusätzlich zu den Grundregeln folgende Punkte berücksichtigt werden:
1. Die durchgehende Massefläche auf der Unterseite wird im Bereich des
   Quarzes und dessen Ballastkondensatoren aufgetrennt, sodass eine Insel
   entsteht.
2. An diese Masseinsel werden die Masseanschlüsse der Ballastkondensatoren,
   sowie der, den Quarzpins des Mikrocontrollers nächstgelegene,
   Massepin mittels Durchkontaktierungen angeschlossen.
3. Auf der Oberseite sollte die Quarzschaltung mit einer Guard-Leitung
   umrandet werden, die durchgehend zu der darunterliegenden Masseinsel
   durchkontaktiert wird.
4. Die umrandete Quarzschaltung sollte auf der Oberseite nicht mit einer
   Massefläche geflutet werden.

Hier ergeben sich für mich nun drei Fragen, die in den diversen 
Designempfehlungen teilweise unterschiedlich geklärt werden.
1. Wo wird die auf der Unterseite gebildete Masseinsel mit der restlichen
   Hauptmassefläche der Unterseite verbunden? In einigen Designempfehlungen
   wird diese Masseinsel nicht auf der Unterseite mit der restlichen Masse
   verbunden, sondern über die Guard-Leitung und dem Mikrocontroller-
   Quarzmassepin auf der Oberseite, im Bereich des Mikrocontrollers, mittels
   Durchkontaktierung zur Hauptmasse auf der Unterseite kontakiert.
   Hat dieser Umweg über die Oberseite einen entscheidenten Vorteil, als
   die Masseinsel auf der Unterseite gleich direkt im Bereich des
   Mikrocontrollers mit der Hauptmasse dünn zu verbinden
    ("Quarzmassehalbinsel")?
2. Signallayer sollten ja nicht mit Masseflächen geflutet werden, da so
   viele kleine Massestreifen und -stücke entstehen, die von benachbarten
   Signalen angeregt werden, eine Antenne bilden und so die EMV negativ
   beeinflussen. Jetzt empfehlen die Designrichtlinien aber genau das:
   Zerschneide die durchgehende Massefläche auf der Unterseite und bilde
   eine Insel. Besteht hier nicht genau die Gefahr, dass diese Quarzmasseinsel
   dann angeregt wird und als Sendeantenne wirkt?
3. Wie wichtig ist die räumliche Anordnung der Quarzschaltungskomponenten?
   Bei einigen Designempfehlungen liegt der Quarz dem Mikrocontroller am
   nächsten, die Ballastkondensatoren liegen hinter dem Quarz. Bei anderen
   ist es genau umgekehrt, hier liegen die Ballastkondensatoren direkt an
   den Mikrocontrollerpins, und der Quarz kommt dahinter.

Ich bedanke mich schon im Vorfeld für Eure mithilfe.
Grüße, Roland.

Microchip.png:
* Kondensatorn näher am Mikrocontroller
* Oberseite mit Masse teilgeflutet (Guard)
* Anbindung der Masseinsel an Hauptmasse nicht ersichtlich

ST.png
* Quarz näher am Mikrocontroller
* Oberseite mit Guard-Ring, teilgeflutet mit Masse
* Masseinsel auf der Unterseite hat auf der Unterseite keine Verbindung 
mit Hauptmasse
* Mikrocontroller-Quarzmassepin mit Hauptmasse auf der Unterseite über 
geflutete Masse auf der Oberseite unter dem Chip verbunden

TI.png
* Quarz näher am Mikrocontroller
* Oberseite mit Guard-Ring ohne geflutete Masse
* Verbindung der Masseinsel auf der Unterseite mit der Hauptmasse nicht 
ersichtlich
* Mikrocontroller-Quarzmassepin mit Hauptmasse auf der Unterseite über 
seitlich neben dem Chip verbunden

Autor: W.S. (Gast)
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Roland schrieb:
> zusätzlich zu den Grundregeln folgende Punkte...

Ich schätze, alle diese Punkte sind Murks und Kandidaten für den 
Papierkorb.

Der Quarz braucht auf beiden Seiten eine Kapazität gegen Masse, weil er 
ja im Prinzip und grob gesehen ein Reihenschwingkreis mit sehr großem L 
und kleinem Serien-C ist. Deshalb spielt auch die Leitungslänge bis zu 
den Pins des µC keine große Rolle. Man will aber i.Allg. solche 
Leitungen nicht quer durch den Urwald routen, deswegen ist der Rat, 
diese Leitungen einigermaßen kurz zu halten OK. Aber man muß es dabei 
nicht übertreiben.

Und unterhalb des Quarzes ein Fenster in die Masse zu legen, ist 
ausgesprochen albern. Die Abschlußkapazitäten, die man ja extra 
dranlötet, sind allemal im Bereich 10..33pF und da spielt ein 
zusätzliches pF keine Rolle.

Also bleibe bei deinen bisherigen Layouts und höre nicht auf jeden 
Möchtegern-Guru, der nix anderes im Sinn hat, als irgend eine 
Zusatzregel zu erfinden.

W.S.

Autor: Martin B. (ratazong)
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Die Sache mit dem guard ring kenne ich aus einer STM dok.

Wenn ich mir aber STM nucleo oder discovery boards angucken finde ich 
sowas bei deren designs nicht. Halten sich also selber nicht an ihre 
Regeln.

Autor: Roland (Gast)
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Hallo,

ziel dieses Massekonstrukts sollte ja das Fernhalten von in den 
Quarzkreis eingekoppelten Störungen sein, die von über die Massefläche 
fließenden Strömen verursacht werden. Dazu hilft es natürlich schon, der 
Quarzschaltung eine Masseinsel zu schaffen, wodurch über diese Insel nur 
mehr die Ströme der Quarzschaltung selbst fließen.

Soweit ist die Idee ja nachvollziehbar. Nur ist es eben auch 
empfehlenswert, Signallayer nicht mit Masse zu fluten, da so 
Massestreifen und -stücke entstehen, die als Antenne wirken können. Und 
genau hier sehe ich einen widerspruch: Einerseits die Quarzschaltung vor 
Strömen schützen, aber andererseits mit dieser Quarzmasseinsel eine 
Antenne in der ansonnsten durchgehenden Massefläche auf der Unterseite 
bilden. Gilt hier eine sichere Quarzschaltung vor guten EMV 
Eigenschaften? Oder wirkt eine Quarzmasseinsel nicht als Antenne wie 
Massestreifen?

Interessant, wenn die Boards der Chiphersteller selbst nicht über derart 
Layouts verfügen. Auch sind sich die Empfehlungen untereinander nicht 
ganz einig.

Grüße,
Roland.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Roland schrieb:
> Interessant, wenn die Boards der Chiphersteller selbst nicht über derart
> Layouts verfügen.
Wenn man da ein paar Beispiele anschaut, dann sieht man, dass die 
offenbar vom Praktikanten gemacht wurden. Siehe dort das untere 
Beispiel:
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/33-Quarz

> da so Massestreifen und -stücke entstehen, die als Antenne wirken können.
Der Umkehrschluss wäre dann, am Besten gar keine Masse zu verwenden?

Letztlich ist das Hauptproblem weniger das Einkoppeln auf die kleine 
Massefläche (die ja in nächster Nähe mit dem GND-Pin des Oszillators 
verbunden wird), sondern, dass bei geschlossenen Masseflächen 
irgendwelche Leistungsströme oder steilflankige Bussignale quer durch 
Nanowatt-Oszillatoren fließen und dort dann für Jitter oder gar 
Fehlimpulse sorgen können.

Dort ist das ganz nett aufgeführt:
https://www.ged-pcb-mcm.de/gutes-pcb-layout-am-beispiel-des-quarzoszillators/

Martin B. schrieb:
> Wenn ich mir aber STM nucleo oder discovery boards angucken finde ich
> sowas bei deren designs nicht.
Wer weiß, wofür diese "optimalen" Layoutrichtlinien gut sin, kann bei so 
einem µC-Quarz schon mal davon abweichen. Aber man darf eben nicht von 
einer unkomplizierten Frequenz und einer unkomplizierten Schaltung auf 
alle Quarzoszillatoren schließen. Bereits bei sowas alltäglichem wie 
einer RTC und ihrem leistungsoptimiertem Oszillator wirds spannend:
https://www.google.com/search?q=rtc+layout+guidelines

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)
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In Reihe zum Quarz muß ein Widerstand vorgesehen werden, sonst
wird der Quarz u.U. überlastet......

Autor: Roland (Gast)
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Hallo Lothar,

natürlich habe ich mir Deine Seite bei meinem Studium auch durchgelesen. 
Der Vorteil, den eine eigene Masse für die Quarzschaltung bietet, liegt 
auf der Hand. Ich frage mich nur, ob diese Masseinsel dann nicht der 
Regel, keine zerschnittene Masse zu erzeugen, widerspricht? Klar, wenn 
der Quarz wegen Störungen instabil schwingt und so die Funktion der 
Schaltung beeinträchtigt, dann ist eine Masseinsel die angerengt werden 
kann wohl das geringere Übel.

Lothar M. schrieb:
> Der Umkehrschluss wäre dann, am Besten gar keine Masse zu verwenden?
Der Umkehrschluss wäre eher einen soliden, unzerschnittenen Masselayer 
zu verwenden, der nicht zum Schwingen angeregt wird.

Lothar M. schrieb:
> (die ja in nächster Nähe mit dem GND-Pin des Oszillators
> verbunden wird)
Genau diesen Punkt habe ich aus den diversen Beispielen nicht eindeutig 
klären können. Die Quarzmasseinsel auf dem unteren Layer wird gemeinsam 
mit dem Guard-Ring auf dem oberen Layer (mehrfach durchkontaktiert auf 
die Messeinsel unten) mit dem Oszillatormassepin des Mikrocontrollers 
verbunden. Und wo wird dieser Pin nun mit der Hauptmasse verbunden? Hier 
gehen die Beispiele von unter dem Chip über neben dem Chip bis zu 
überhaupt nicht mit der Hauptmasse verbunden. Was ist hier zu 
bevorzugen?

Edgar S. schrieb:
> In Reihe zum Quarz muß ein Widerstand vorgesehen werden, sonst
> wird der Quarz u.U. überlastet......
Ich weiß nicht ob man das verallgemeinern kann, oder ob man hier besser 
dem Datenblatt des jeweiligen Chips folgt.

Grüße,
Roland

Autor: Adalbert Abendstörer (Gast)
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Ich werf mal Folgendes in den Ring:
Du fürchtest ja u.a. Störungen, die über die (eine durchgängige Haupt-) 
Massefläche unter dem Quarz in selbigen Einkoppeln und diesen dadurch 
stören, richtig?
Diese Konstellation will ich nicht gänzlich ausschließen.
Störimpulse durch hochfrequente Signale und steile Flanken suchen sich 
jedoch auf der Massefläche (als Rückleiter) immer den Weg der geringsten 
Impedanz. Sofern der Weg über die Massefläche nicht verbaut ist, wird 
i.d.R. der Rückweg näherungsweise unter dem Hinleiter verlaufen.
Von einer 2-Lagen-LP ausgehend, dürfte es dir nun schwer fallen, auf TOP 
ein solches Störsignal über den Quarz zu routen - mit anderen Worten: Du 
musst das Signal ohnehin um den Quarz herumführen. Damit hast du auch 
kein Problem, das über die Massefläche auf den Quarz wirken könnte.

Ich kenne Quarze ohnehin als unempfindlich ggü. derartigen Einflüssen 
bzw. kann mich an kein diesbezügliches Problem erinnern.

Autor: Roland (Gast)
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Nun wie erwähnt hatte ich bisher eigentlich kein Problem mit dem 
Schwingverhalten von Quarzen in Mikrocontrollerschaltungen. Da es jedoch 
offensichtlich viele Designempfehlungen von diversen Chipherstellern 
gibt, dachte ich mir, warum künftige Layouts nicht daran orientieren.

Ich habe mir auch schon gedacht, dass es schon sehr ungünstig verlaufen 
muss, dass Störungen auf dem Masselayer Auswirkungen auf den Quarz 
haben. Hier muss wohl ein ordentlicher Strom genau über den Teil der 
Massefläche fließen, der vom Quarz genutzt wird, da eine durchgehende 
Massefläche den Stromfluss doch recht gut verteilt. Sicherlich ist die 
Amplitude der Schwingung des Oszillators nicht sonderlich hoch. 
Allerdings muss bei einer 100 mVss Schwingung die Störspannung auch 
schon verhältnismäßig ordentliche Werte erreichen.

Also klar, wenn man eine Hochstromanwendung baut, wo mehrere 10A über 
die Masse fließen, dann wird für den Quarz genügend Störpotenzial 
vorhanden sein. In so einem Fall möchte ich allerdings auch eine eigene 
Masse für den Hochstromteil und diese Ströme von der gesamten restlichen 
Schaltung fernhalten.

Das jedoch die Rückströme von gewöhnlichen digitalen Signalen auch ein 
entsprechendes Störpotenzial für den Oszillator haben, würde mich 
überraschen. Hier sind meine Bedenken mehr dahingehend, dass digitale 
Signale dann diese Masseinsel zur Störabstrahlungen animieren und so die 
EMV verschlechtert wird.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Roland schrieb:
> Ich frage mich nur, ob diese Masseinsel dann nicht der Regel, keine
> zerschnittene Masse zu erzeugen, widerspricht?
Eine "zerschnittene" Masse ist nicht weiter schlimm, wenn die Schnitte 
nicht den Rückstrom eines Signals oder gar einer Lastleitung 
durchschneiden. Und weil die Platzierung samt Layout eigentlich so sein 
müsste, dass um den Quarz herum Ruhe hersscht, darf dort auch beliebig 
"geschnitten" werden. Und wenn dann fatalerweise doch ein Strom quer 
durch laufen möchte, dann kann er das nicht und muss den Umweg aussen 
herum nehmen.

Roland schrieb:
> Ich habe mir auch schon gedacht, dass es schon sehr ungünstig verlaufen
> muss, dass Störungen auf dem Masselayer Auswirkungen auf den Quarz
> haben. Hier muss wohl ein ordentlicher Strom genau über den Teil der
> Massefläche fließen
Es reicht ein ganz normales 3,3V Digitalsignal (z.B. PWM) im mA-Bereich 
mit einer anständigen Flankensteilheit. Denn in einer steilen Flanke 
stecken alle nötigen Frequenzen, die dir in den Oszillaotr hineinfunken 
können.

> Das jedoch die Rückströme von gewöhnlichen digitalen Signalen auch ein
> entsprechendes Störpotenzial für den Oszillator haben, würde mich
> überraschen.
Mich überrascht das wie gesagt nicht. Eine Echtzeituhr mit ihrem 
nW-Oszillator bekommst du mit Digitalsignalen leicht aus dem Tritt.

> Hier sind meine Bedenken mehr dahingehend, dass digitale Signale dann
> diese Masseinsel zur Störabstrahlungen animieren und so die EMV
> verschlechtert wird.
Wenn dein Layout so ungünstig ist, dass der Rückstrom (der ja möglichst 
direkt neben/unter/über der Signalleitung verlaufen möchte) quer durch 
den Oszillator geht, dann kommt es darauf echt auch nicht mehr an...

Wie gesagt: bei den üblichen µC-Schaltungen ist das Quarz-Layout 
weitgehend unkritisch, der wird schon tun. Aber du wolltest eigentlich 
wissen, wie es richtig gemacht wird, und dir wurden die Hintergründe und 
Beweggründe aufgezeigt. Immer im Hinterkopf behalten: warum sollte sich 
ein Chipdesigner (bei einem halbwegs aktuellen IC) die Mühe machen, 
einen Massepin direkt neben die Oszillatorpins zu legen?
Jetzt kannst du selber abschätzen, ob und wie du es machen willst.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Dr.Who (Gast)
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Edgar S. schrieb:
> In Reihe zum Quarz muß ein Widerstand vorgesehen werden, sonst
> wird der Quarz u.U. überlastet......

Hast da wohl unbabsichtigt deinem Nick alle Ehre gemacht?

Der Quarz nicht, aber bei Cmos der Treiber. Früher bei den 40XX-
Familien war die Pierce-Schaltung Usus, aber bei den heute
üblichen µC-Familien ist das längst nicht mehr nötig.

Alternativ kann man auch einfach einen RC-Oszillator, einen Resonator
oder einen Quarzoszillator verwenden.

https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Tutorial:_Equipment

Autor: jemand (Gast)
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Martin B. schrieb:
> Die Sache mit dem guard ring kenne ich aus einer STM dok.
>
> Wenn ich mir aber STM nucleo oder discovery boards angucken finde ich
> sowas bei deren designs nicht. Halten sich also selber nicht an ihre
> Regeln.

So ist es.
Beispielsweise stimmt die USB-Beschaltung bei einigen Platinen nicht und 
so weiter. EMV-mässig sind sie eine Katatrophe.

Aber das ist normal. Das trifft auf sehr viele Evalboards zu.
Wenn der Hersteller nicht expliziet das Board als Referenzlayout zur 
Verfügung stellt, ist gesunde Skepsis durchaus angebracht.

Autor: Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)
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Dr.Who schrieb:
> Der Quarz nicht,

Unsinn, erst Datenblätter lesen, dann schreiben.

Autor: Edgar S. (Firma: keine) (heinbloed1)
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Roland schrieb:
> Ich weiß nicht ob man das verallgemeinern kann, oder ob man hier besser
> dem Datenblatt des jeweiligen Chips folgt.

Ich kenne keinen Mikrocontroller mit seiner Ansteuerleistung moderne,
also Quarze mit sehr kleinen Bauformen, nicht überlastet. Am Resonanz-
widerstand des Quarzes dürfen uW verheizt werden.....

Suche mal in google nach Quarzkochbuch.....

Autor: Roland (Gast)
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Hallo,

sicherlich ist man gut beraten, digitale Signale weiträumig von der 
Quarzschaltung fernzuhalten. Nur das ist in der Umsetzung oft schwierig, 
da Mikrocontroller ihre hochfrequenten digitalen Schnittstellenpins 
(PWM, UART, SPI usw.) auch gerne unmittelbar neben den Oszillatorpins 
platziert haben. Sollte die Platine dann einigermaßen kompakt sein, 
führen diese digitalen Signale unweigerlich seitlich neben dem Quarz 
vorbei. Deren Rückströme fließen dann wohl ebenso in Quarznähe. Hat der 
Quarz nun eine abgetrennte Masse, beeinträchtigen die Rückströme 
freilich nicht direkt den Oszillatorkreis. Es stellt sich aber eben die 
Frage, ob diese Signale und deren Rückströme, in unmittelbarer Nähe zu 
dieser Masseinsel, diese dann womöglich zum Schwingen anregen, wovor oft 
gewarnt wird.

Wo sollte die Masseinsel dann mit der Hauptmasse verbunden werden? Wie 
gesagt reichen hier die Beispiele von unter dem Chip über neben dem Chip 
bis zu
überhaupt nicht mit der Hauptmasse verbunden.

Beste Grüße,
Roland

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Roland schrieb:
> Es stellt sich aber eben die Frage, ob diese Signale und deren
> Rückströme, in unmittelbarer Nähe zu dieser Masseinsel, diese dann
> womöglich zum Schwingen anregen, wovor oft gewarnt wird.
Hast du da mal eine Quelle oder eien Link?

> Wo sollte die Masseinsel dann mit der Hauptmasse verbunden werden?
Direkt am GND-Pin des Oszillators. Und wenn es keinen solchen 
dedizierten Pin gibt, dann bei den beiden Oszillatorpins.

> die Beispiele ... bis zu überhaupt nicht mit der Hauptmasse verbunden.
Wer verbindet diese lokale Massefläche gar nicht mit der "richtigen" 
Masse, die an den uC-Pins angeschlossen ist? Denn natürlich müssen die 
beiden Kondensatoren (so vorhanden) an die Masse angeschlossen werden, 
die auch der uC hat.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Roland (Gast)
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Lothar M. schrieb:
> Hast du da mal eine Quelle oder eien Link?

Das habe ich mehrfach hier im Forum gelesen, wo es um Masseflächen geht. 
Viele erstellen bei ihren Layouts auf der Oberseite eine Massefläche 
über die gesamte Platine und "fluten" den Layer mit Masse. Da auf dem 
Layer aber auch Signalleitungen verlaufen, ist die Massefläche nicht 
durchgehend, sondern es entstehen Halbinseln, Streifen, teilweise große, 
teilweise kleine. Diese Massestücke sind oft nur an einer einzigen 
Stelle mit der restlichen Masse verbunden und stellen so kleine 
"Antennen" dar. Angeregt werden diese nun durch digitale Signale in 
vorbeiführenden Leitungen.

Wie gesagt, das ist weder meine Theorie, noch habe ich das nachgemessen. 
Es ist hier im Forum jedoch eine oft gebrachte Warnung, wenn es um 
Masseflächen oder die Beurteilung von Layouts geht. Grundsätzlich kann 
ich jedoch verstehen wie es so zu einem Problem kommen kann.

Und genau eine derartige Konstellation - eine kleine Massefläche die nur 
an einer Stelle mit dem Rest verbunden wird - sehe ich bei einer eigenen 
Massefläche für den Oszillator, womit sich ein Konflikt auftut.

> Direkt am GND-Pin des Oszillators.
Dann ist es denkbar, die Masseinsel auf der Unterseite als "Halbinsel" 
auszuführen und unter dem GND-Pin direkt mit der umgebenden Hauptmasse 
zu verbinden (über eine ~1-mm-Verbindung)? Jedoch habe ich in den 
Designbeispielen so etwas nie gesehen, dort ist die Masseinsel auf der 
Unterseite immer eine isolierte Insel, die durchkontakiert auf den 
oberen Guard-Ring mit dem GND-Pin verbunden wird. Der Massepin wird dann 
widerum über eine Durchkontakierung mit der Hauptmasse auf der 
Unterseite verbunden.

> Wer verbindet diese lokale Massefläche gar nicht mit der "richtigen"
> Masse
Das habe ich in den vielen Beispielen auch gesehen. Ich möchte aber auch 
nicht ausschließen, dass ich die Verbindung zur Hauptmasse einfach 
übersehen habe, da teilweise auch nur stilisierte Abbildungen zu sehen 
sind. Aber auch hier habe ich mich stets gefragt, warum die Insel nicht 
einfach mit der ihr umgebenden Hauptmasse direkt schmal verbunden wird 
(beim Isolationsspalt in GND-Pin nähe).

Grüße,
Roland.

Autor: -gb- (Gast)
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Ich habe jetzt schon mehrfach Quarze an FTDI Steinen verbaut und bisher 
hat das immer funktioniert. Ich habe mich bei dem Schaltplan an das 
Datenblatt gehalten, aber das Layout war meist so, dass es wenig Platz 
brauchte. Getrennte Massen habe ich nie verwendet und eine Guard Masse 
auch nicht. Mich würde wirklich mal interessieren wie ein schlechtes 
Layout zu einem funktionierenden Schaltplan aussieht, das dann nicht 
mehr funktioniert.

Autor: Dr.Who (Gast)
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Lothar M. schrieb:
> an die Masse angeschlossen werden,
> die auch der uC hat.

Masse ist ja nicht gleich Masse. Abhängig von einer Frequenz spielen
Leiterwiderstände, Flächenkapazitäten, Leiterinduktivitäten und
Leitungssymmetrien manchmal eine Rolle. Quarze sind da, sofern man
sich an Herstellervorgaben hält, verhältnismässig unkompliziert.

Edgar S. schrieb:
> Suche mal in google nach Quarzkochbuch.....

Sollen wir für dich die relevanten Stelle auch noch raus suchen?
Wer etwas behauptet, ist auch angehalten, das zu referenzieren
und zwar nachvollziehbar.

Edgar S. schrieb:
> Unsinn, erst Datenblätter lesen, dann schreiben.

Nicht meckern, sondern einen passenden Link anbieten, der deine
Behauptung stützen soll. Ob es dann zutrifft werden wird dann
prüfen.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Roland schrieb:
> Und genau eine derartige Konstellation - eine kleine Massefläche die nur
> an einer Stelle mit dem Rest verbunden wird - sehe ich bei einer eigenen
> Massefläche für den Oszillator, womit sich ein Konflikt auftut.
Der "Konflikt" besteht nur dann, wenn man unbeingt will, dass diese 
"Potentialinsel" unbedingt aufs mV genau das selbe Potential wie die 
restliche Masse drumrum haben muss.

Das ist aber nicht nötig, sie muss nur das selbe Potential wie die 
Bauteile (Quarz+Cs) darauf haben. Und sich dann auf den 
Oszillator-Massepin beziehen. Wenn also eine Störung in die Bauteile 
dort einkoppelt und das Oszillatorsignal dabei um 10mV anhebt, dann 
koppelt diese Störung auch in die lokale Massefläche ein, die ja 1,5mm 
drunter sitzt, und hebt sie ebenfalls um 10mV an. Der Oszillator im IC 
sieht dann von der Störung nichts, weil ja auch sein Bezugspunkt (die 
lokale Massefläche samt seinem Massepin) von der Störung angehoben 
wurde.

Das ist so, wie wenn du jemandem, der auf einer Schaukel sitzt (=Quarz), 
mit einem Löffel Joghurt füttern müsstest. Das geht nicht, wenn du 
(=Oszillator) auf festem Potential stehst. Es ist dagegen viel leichter, 
wenn du mit auf der Schaukel sitzt, mitschaukelst und deshalb den selben 
Bezugspunkt hast...

Autor: Dr.Who (Gast)
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Lothar M. schrieb:
> Das ist so, wie wenn du jemandem, der auf einer Schaukel sitzt (=Quarz),
> mit einem Löffel Joghurt füttern müsstest. Das geht nicht, wenn du
> (=Oszillator) auf festem Potential stehst. Es ist dagegen viel leichter,
> wenn du mit auf der Schaukel sitzt, mitschaukelst und deshalb den selben
> Bezugspunkt hast...

Nannte man das nicht mal Modulation? Nicht gerade die störunanfälligste
Technik.

Autor: Roland (Gast)
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Hallo Lothar,

es ist völlig verständlich, dass in die Quarzschaltung eigekoppelte 
Störungen sowohl die Masseverbindung als auch die Quarzsignalleitungen 
betreffen, wodurch der Oszillator selbst von Störungen unbeeinträchtigt 
bleibt. Für mich ist auch unbestritten, dass eine eigene Quarzmasseinsel 
das Schwingverhalten des Oszillators robuster macht.

Wie Du jedoch auch angeführt hast, können Störungen das Potential der 
lokalen Quarzmasseinsel ändern. Passt nun die Wellenlänge der 
Störfrequenz mit der physischen Größe der Masseinsel ungünstig zusammen, 
so wird die Masseinsel zusätzlich angeregt und fungiert als Antenne, was 
die EMV verschlechtert. Das ist eben genau das Phänomen, von dem hier in 
einigen Beiträgen sowie im Wissensbereich gewarnt wird.

Aus Richtiges Designen von Platinenlayouts:
>[...] Wenn sie durch viele Leitungen zerschnitten werden, sinkt ihre Wirksamkeit 
massiv und sie können sich zu einem EMV-Problem entwickeln (Abstrahlung von 
Energie, Streifen- und Schlitzantennen). [...]  Auf jeden Fall darauf achten, das 
KEINE Zipfel oder Streifen Massefläche existieren, die nicht an mindestens beiden 
Enden mit anderen Masseflächen verbunden sind. Für "Systeme" aus solchen 
Masseflächen gilt gleiches, d.h. die Masseflächen müssen auch untereinander gut 
vernetzt werden.[...]

Das ist eben mein Problem. Ich verstehe beide Ideen, die Robustheit des 
Oszillators durch eine eigene Masseinsel, aber auch die EMV Problematik 
durch Masseinseln. Genau das ergibt für mich den Konflikt, da es ein 
Widerspruch ist, möchte man beides richtig machen.
Muss man hier abwägen was man umsetzt, das geringere Übel in Kauf 
nehmen?

Beste Grüße,
Roland.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Roland schrieb:
> Wenn sie durch viele Leitungen zerschnitten werden
Die Massefläche wird nicht zerschnitten wie z.B. hier, wo ein 
Rückstromstrom von A nach B einen gewaltigen Umweg nehmen muss:
Platine mit Massefläche
   ______________________________________
  |                                      |
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  |                                      |
  |                                      |
  |                                      |
  |                A                     |
  |                                      |
  |                                      |
  |    ein Signal trennt die Fläche      |
  |  o================================o  |
  |    in zwei "Masseinseln", die nur    |
  |  mit schmalen Stegen verbunden sind  |
  |                                      |
  |                B                     |
  |                                      |
  |                                      |
  |                                      |
  |                                      |
  |______________________________________|
Sondern es passiert ja nur sowas:
Platine mit Massefläche
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Und hier fließt dann ggfs ein Rückstrom von A nach B kaum einen Umweg 
und vor allem sicher nicht quer durch den Oszillator.

Roland schrieb:
> Ich verstehe beide Ideen, die Robustheit des Oszillators durch eine
> eigene Masseinsel, aber auch die EMV Problematik durch Masseinseln.
Im unteren Fall hast du zwar eine lokale "Masseinsel". Aber die hast du 
genau wegen EMV-Vorteilen eingefügt. Und vor allem: sie ist aufgrund der 
geringen Größe nicht relevant für den Stromfluss auf der restlichen 
Masse.

Fazit: ein Layout ist immer ein Kompromiss und man muss natürlich 
ständig mehrere Regeln und Einflüsse gegeneinander abwägen.

> Muss man hier abwägen was man umsetzt, das geringere Übel in Kauf nehmen?
Man darf vor allem nicht die Regeln übergewichten, die einfach(er) zu 
verstehen sind. Und die oberste Regel ist: die Schaltung muss hinterher 
funktionieren.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Roland (Gast)
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Sicherlich, so gesehen ist eine eigene Quarzmasseinsel keine sonderlich 
große Störung im Masselayer im Vergleich zu Signalleitungen, die diese 
in alle möglichen Stücke teilen. Auch ist die Form der Masseinsel 
günstiger als so manche Masseteilstücke die sich beim Fluten eines 
Signallayers mit Masse ergeben (dabei entstehen ja oft schmale, lange 
Streifen).

Das ist wohl war, speziell wenn die Größe der Platine auch eine Rolle 
spielt, bedarf es einigen Kompromissen im Layout.

Ich würde aber sagen, genauso wichtig, wie eine funktionierende 
Schaltung ist eine Schaltung, die keine anderen Geräte beeinträchtigt. 
Und genau das ist oft schwieriger zu erreichen als das Funktionieren 
selbst.

Grüße,
Roland.

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