Quarze und Oszillatoren: Lastkapazität, Drive Level und die Gründe, warum Ihr Oszillator nicht anschwingt

Stand: Oktober 2026. Die Formeln stammen aus dem Oszillator-Design-Guide AN2867 von ST (Rev 24, Februar 2026). Die Gegenprüfung stützt sich auf die im Text genannten Dokumente von NXP, ECS, Abracon und Statek in den dort angegebenen Revisionen. Alle wurden am 21. Oktober 2026 geprüft. Gleichen Sie jeden Wert mit dem Datenblatt Ihres eigenen Quarzes und dem Oszillator-Abschnitt Ihres MCU ab, bevor Sie ein Design festlegen.

Das Wichtigste in Kürze

Ein Quarzoszillator braucht zwei Bedingungen, um anzuschwingen und auf Frequenz zu laufen. Die Schaltung muss dem Quarz die Lastkapazität (CL) bieten, auf die er abgeglichen wurde. Der Oszillator muss genug Verstärkung liefern, um die Verluste des Quarzes mit einer Sicherheitsreserve zu überwinden. Laut dem Oszillator-Design-Guide AN2867 von STMicroelectronics (ST) entstehen Anschwingprobleme meist dadurch, dass die Verstärkungsreserve (Gain Margin) nicht richtig dimensioniert ist. Als Ursachen nennt AN2867 zu kleine oder zu große Lastkondensatoren und einen zu hohen ESR (Equivalent Series Resistance).

Ein Fehler zeigt sich auf eine von drei Arten: als toter Oszillator, als sporadisches Anschwingen oder als Takt, der von der Sollfrequenz abweicht. Ein Frequenzversatz wird zum Fehler, sobald er die Toleranz der vom Takt versorgten Funktion überschreitet. Beispiele sind USB, eine Verbindung über Controller Area Network (CAN) und eine Echtzeituhr.

Der Aufdruck auf einem Quarz nennt seine Frequenz, und die Frequenz ist nur ein Teil der Spezifikation. Zwei 8-MHz-Quarze im selben Gehäuse können unterschiedliche Lastkapazitäten, ESR-Werte und Grenzwerte für den Drive Level haben. Wer den einen gegen den anderen tauscht, ohne diese drei Werte zu prüfen, kann die Frequenz verschieben oder das Anschwingen verhindern.

Das Datenblatt nennt die drei Zahlen, die der Aufdruck auslässt. CL ist die Last, bei der die aufgedruckte Frequenz erreicht wird; der ESR ist der Verlust, den der Oszillator überwinden muss. Der maximale Drive Level begrenzt die Leistung, die der Quarz umsetzen darf. Die Lastkondensatoren koppeln die ersten beiden: Die Kapazität, die den Quarz auf Frequenz bringt, geht auch in die zum Anschwingen nötige Verstärkung ein. Eine Änderung an ihnen verschiebt deshalb beides.

Die Formel für die Lastkapazität

Ein Quarz ist dafür spezifiziert, auf seiner aufgedruckten Frequenz zu schwingen, wenn die Schaltung ihm eine bestimmte Lastkapazität bietet. Das ist seine CL. Der Oszillator-Design-Guide AN2867 (Rev 24, Februar 2026) von ST definiert in Abschnitt 3.3 die Last, die die Oszillatorschaltung bietet:

the load capacitance is the terminal capacitance of the circuit connected to the crystal oscillator … CL = (CL1 × CL2)/(CL1 + CL2) + Cs

Dabei sind CL1 und CL2 die beiden externen Lastkondensatoren, je einer von jedem Quarz-Pin nach Masse. Cs ist die Streukapazität, die AN2867 als Summe aus der Kapazität der Oszillator-Pins des Mikrocontrollers (MCU) und der parasitären Kapazität der Platine definiert. All das kommt zu der Last hinzu, die der Quarz sieht. AN2867 rechnet ein Beispiel durch: Für einen Quarz mit spezifizierter CL = 15 pF ergeben sich unter der Annahme Cs = 5 pF genau CL1 = CL2 = 20 pF.

Das Beispiel enthält bereits die ganze Dimensionierungsmethode. Aus Sicht des Quarzes sind die beiden externen Kondensatoren in Reihe geschaltet, denn beide Pfade führen nach Masse. Ihre Reihenschaltung ergibt CL1·CL2/(CL1+CL2), für zwei gleiche Kondensatoren von 20 pF also 10 pF. Rechnen Sie die 5 pF Streukapazität hinzu, landen Sie bei der spezifizierten CL des Quarzes von 15 pF. Treffen Sie diesen Wert, läuft der Quarz auf der Frequenz, auf die er abgeglichen wurde. Verfehlen Sie ihn, verschiebt sich die Frequenz.

Die Lastkondensatoren dimensionieren

Stellen Sie die Formel um, und sie wird zur Rechenanleitung. Die durchgerechneten Beispiele in AN2867 und im Artikel von ECS zur Lastkapazität verwenden beide zwei gleiche Lastkondensatoren. Nennt man jeden davon C, gilt:

CL = C/2 + Cs, also C = 2 × (CL − Cs).

Die Methode umfasst drei Schritte.

1. Lesen Sie CL aus dem Datenblatt Ihres Quarzes ab. Es wird ein Wert wie 8 pF, 12 pF, 18 pF oder 20 pF sein. Der Wert steht fest, denn er ist die Last, auf die der Quarz abgeglichen wurde.

2. Schätzen Sie Cs, die Streukapazität. Die Design-Note Oscillator Design Basics von ECS (Seitenstand 14. Januar 2025) nennt 3 bis 5 pF als üblichen Bereich, und das Beispiel in AN2867 verwendet 5 pF. Wenn das Datenblatt Ihres MCU eine Kapazität für die Oszillator-Pins angibt, verwenden Sie diese und addieren Sie einen Schätzwert für die Platine. Gibt das Datenblatt die Kapazität je Pin an, tragen zwei gleiche Pins etwa die Hälfte davon zur CL bei, denn der Quarz sieht sie in Reihe. Nennt das Datenblatt keine Pin-Kapazität, beginnen Sie mit 5 pF und behandeln den Wert als Schätzung, bis der Prüfplatz ihn bestätigt.

3. Berechnen Sie jeden externen Kondensator: C = 2 × (CL − Cs).

Die folgenden Beispiele verwenden alle Cs = 5 pF, und die letzte Spalte nennt die nächstgelegenen Werte der E12-Normreihe nach IEC 60063:

Aus der Tabelle folgen zwei Dinge, und das erste ist, dass ein 8-pF-Quarz kleine externe Kondensatoren braucht. Bei 5 pF Streukapazität bleiben für jeden Kondensator nur etwa 6 pF, und ein nachlässiges Layout kann dieses Budget aufzehren. Statek hält in seiner Technical Note 33 (Rev. A) fest, dass ein Quarz bei niedrigeren CL-Werten empfindlicher auf eine gegebene Änderung der CL reagiert. Ein Fehler im Schätzwert der Streukapazität verschiebt die Frequenz daher in den Zeilen mit niedriger CL am stärksten.

Zweitens sind die Normwerte der Kondensatoren grob gestuft, deshalb stimmen Sie die Frequenz über genau diese Kondensatoren ab. Die Richtung steht fest: Größere Kondensatoren ziehen die Frequenz nach unten, kleinere ziehen sie nach oben. Läuft eine Platine mit 18-pF-Kondensatoren etwas zu schnell, sinkt ihre Frequenz mit 22 pF.

Dieselben Kondensatoren tauchen in der Bedingung für das Anschwingen wieder auf, deshalb ändert jeder Abstimmschritt auch die Verstärkungsreserve.

Warum Ihr Oszillator nicht anschwingt: die Verstärkungsreserve

Die Dimensionierung der Kondensatoren bringt den Quarz auf Frequenz. Das Anschwingen ist eine eigene Frage. Es hängt davon ab, ob die Oszillatorschaltung genug Verstärkung liefert, um die Verluste des Quarzes zu überwinden.

Jeder Quarz hat einen ESR, den Verlust, den er bei Resonanz aufweist. Der Oszillator muss genügend aktive Verstärkung liefern, den sogenannten „negativen Widerstand“. Nur so gleicht er diesen Verlust mit Reserve aus, sonst baut sich die Schwingung nie auf. AN2867 formalisiert das als Verstärkungsreserve: das Verhältnis der Transkonduktanz des Oszillators (gm) zur kritischen Verstärkung (gmcrit). Die kritische Verstärkung ist die Transkonduktanz, die zum Aufrechterhalten der Schwingung gerade nötig ist. Abschnitt 3.4 nennt eine einzige Schwelle und setzt für den langsamen Oszillator keine eigene:

it is highly recommended that the selected crystal has a gain margin higher than or equal to 5

wobei die kritische Verstärkung

gmcrit = 4 × ESR × (2πF)² × (C0 + CL)²

ist. C0 ist die Shunt-Kapazität des Quarzes. Laut AN2867 rührt sie von dem Kondensator her, den die Elektroden bilden. Die kritische Verstärkung (gmcrit) steigt mit dem ESR, mit dem Quadrat der Frequenz und mit dem Quadrat der Gesamtkapazität C0 + CL. Ein für den Oszillator zu hoher ESR erhöht gmcrit direkt, und zu große Lastkondensatoren erhöhen gmcrit über den Kapazitätsterm. Auch zu kleine Kondensatoren stehen auf der Liste von AN2867. Für STM32F0 und STM32F3 beschränkt Abschnitt 4.1 den High-Drive-Modus auf Quarze mit 12,5 pF, um eine Sättigung der Oszillationsschleife zu vermeiden.

Der Kapazitätsterm ist derselbe Hebel, mit dem der vorige Abschnitt die Frequenz abgestimmt hat. Wer die Lastkondensatoren überdimensioniert, verschiebt die Frequenz und erhöht zugleich die Verstärkung, die der Oszillator zum Anschwingen braucht. Dieser zweite Effekt kann aus einem funktionierenden Design ein totes machen.

AN2867 formuliert die Anforderung ein zweites Mal, als Sicherheitsfaktor. Der Sicherheitsfaktor ist der negative Widerstand des Oszillators geteilt durch den ESR des Quarzes und wird auf dem Prüfplatz mit einem zusätzlichen Serienwiderstand gemessen. Hier unterscheidet AN2867 sehr wohl nach Oszillatortyp und verlangt mindestens 5 für den HSE-Oszillator (High-Speed External), der MHz-Quarze betreibt. Für den LSE-Oszillator (Low-Speed External) mit 32,768-kHz-Quarzen verlangt AN2867 mindestens 3.

Andere Hersteller setzen dieselbe Untergrenze. Der Crystal Oscillator Design Guide AN14518 (Rev. 6.0, 17. April 2026) von NXP ist für NFC-Leserschaltungen (Near Field Communication) des Herstellers geschrieben. Er nennt das Kriterium |−R| ≥ 5 × ESR. Die Design-Note von ECS empfiehlt einen negativen Widerstand von mindestens dem Fünffachen des maximalen ESR des Quarzes. Das undatierte Quartz Crystal Glossary of Terms von Abracon empfiehlt mindestens das 5- bis 10-Fache des ESR.

Ein Design unterhalb der empfohlenen Reserve kann auf dem Prüfplatz trotzdem anschwingen. AN2867 warnt, dass ein solcher Start nicht garantiert, dass der Oszillator unter Betriebsbedingungen anschwingt. Der ESR hängt laut AN2867 von Temperatur und Feuchte ab, die Transkonduktanz von Versorgungsspannung und Temperatur. ECS ergänzt, dass der negative Widerstand bei höherer Temperatur tendenziell sinkt, und empfiehlt deshalb den Test am oberen Ende des Betriebstemperaturbereichs.

Drive Level: die dritte Zahl

Der Drive Level ist die Leistung, die der Oszillator im Quarz umsetzt. Bei zu wenig Leistung schwingt ein Quarz mit hohem ESR möglicherweise nicht zuverlässig an. Zu viel Leistung übersteuert den Quarz. ECS nennt instabilen Betrieb und beschleunigte Alterung, in manchen Fällen auch den vollständigen Ausfall des Quarzes. Das Glossar von Abracon warnt vor möglicher Langzeitdrift der Frequenz oder einem Bruch des Quarzes. Abhilfe schafft ein externer Serienwiderstand auf der Ausgangs- bzw. Ansteuerseite, der den Strom in den Quarz begrenzt. AN2867 nennt ihn RExt und macht ihn verpflichtend, sobald die umgesetzte Leistung den Grenzwert des Quarzes überschreitet.

Der Widerstand hat beim Anschwingen einen Preis, denn AN2867 addiert RExt in der gmcrit-Formel zum ESR. Nach dem Einbau muss die Verstärkungsreserve deshalb neu berechnet werden.

AN2867, AN14518 von NXP und ECS überlassen den maximalen Drive Level dem Datenblatt des jeweiligen Quarzes. Die Spannweite zwischen Quarztypen ist groß. Der 32,768-kHz-Quarz ECX-34Q von ECS (Datenblatt Rev. 2022) erlaubt höchstens 0,5 µW, der MHz-Quarz ECX-33Q (Datenblatt Rev. 2023) desselben Herstellers 100 µW. Wer Ihnen einen einzigen „sicheren“ Drive-Level-Wert nennt, ohne Ihr Quarz-Datenblatt aufzuschlagen, rät nur.

Was das für eine Zweitquelle bedeutet

Bei Kostensenkung oder Versorgungssicherung an einer in China beschafften Stückliste (BOM) kann ein Quarz getauscht werden, weil das Original in Allokation ist oder ein Distributor ein billigeres Bauteil anbietet. Wer nur Frequenz und Gehäuse abgleicht, lässt drei Spezifikationen des Quarzes ungeprüft. Die aufgedruckte Frequenz sagt über diese drei Werte nichts aus. Für den Einsatz eines anderen Quarzes verlangt AN14518 von NXP, Frequenzgenauigkeit, Drive Level, nominale Lastkapazität und ESR sorgfältig nach der Spezifikation im jeweiligen Produktdatenblatt auszuwählen.

• Lastkapazität: Ein Quarz mit anderer CL weicht in Ihrer Schaltung von der Sollfrequenz ab, weil Ihre Lastkondensatoren auf die ursprüngliche CL dimensioniert wurden. Ein 12-pF-Bauteil auf einer für ein 18-pF-Bauteil ausgelegten Platine läuft mit zu niedriger Frequenz, weil es mehr Last sieht als die, auf die es abgeglichen wurde. Entweder Sie treffen die CL, oder Sie dimensionieren die Lastkondensatoren neu.

• ESR: Ein Ersatztyp mit höherem ESR verbraucht Verstärkungsreserve. In der Formel von AN2867 ist gmcrit proportional zum ESR. Ein doppelter ESR halbiert deshalb die Reserve, solange gm, Frequenz und Kapazität gleich bleiben. Das kann ein Design von „schwingt zuverlässig an“ zu „schwingt manchmal an“ verschieben.

• Drive Level: Ein physisch kleinerer Ersatztyp oder einer mit geringerer Belastbarkeit hat möglicherweise einen niedrigeren maximalen Drive Level. Die für das Original passende Ansteuerung übersteuert dann den Ersatztyp.

Die Technical Note 33 von Statek gibt in Gleichung 4 die Frequenzverschiebung an, die eine Änderung der CL bewirkt. Berechnet wird sie aus Motional-Kapazität (C1) und Shunt-Kapazität (C0) des Quarzes, die manche Datenblätter nennen. ECS nennt für seinen Uhrenquarz ECX-34Q typische Werte von 3,5 fF und 1,1 pF. Das Bauteil ist mit 6, 7, 9 und 12,5 pF erhältlich. Mit diesen Werten läuft eine 7-pF-Version auf einer für die 12,5-pF-Version ausgelegten Platine mit etwa 87 ppm zu niedriger Frequenz. Das sind rund 7,5 Sekunden pro Tag, gegenüber einer Toleranz von ±20 ppm bei 25 °C laut Datenblatt.

Eine CL-Änderung wirkt sich auch auf das Anschwingen aus. In The Impact of Load Capacitance on Crystal Oscillator Designs (23. Januar 2025, aktualisiert am 28. April 2025) vergleicht ECS zwei seiner 12-MHz-Quarze. Sie haben dieselbe Gehäusegröße und einen ESR von 100 Ω, aber laut ECS unterschiedliche Werte für C0 und CL. ECS-120-20-33-AEL-TR ist für 20 pF spezifiziert, ECS-120-8-33B-CHN-TR für 8 pF. Mit dem STM32L1, dessen HSE-Transkonduktanz ECS mit 3,5 mA/V angibt, erreicht das 20-pF-Bauteil eine Reserve von nur 2,46. Das 8-pF-Bauteil kommt auf 12,72. Ein Teil dieses Abstands geht auf die Shunt-Kapazität zurück. Aus den gmcrit-Werten von ECS zurückgerechnet, beträgt C0 etwa 5 pF beim 20-pF-Bauteil und 3 pF beim 8-pF-Bauteil. Mit C0 = 5 pF käme das 8-pF-Bauteil auf etwa 9,1. ECS schreibt dazu, die Schwingung könne zwar anlaufen, dem Design fehle aber die Robustheit.

Ein Quarz lässt sich zu diesen Bedingungen weiterhin aus einer Zweitquelle beziehen. Auf der Stückliste umfasst er vier Zahlen plus Gehäuse: die aufgedruckte Frequenz mit Toleranz, Stabilität und Alterung sowie die drei Datenblattwerte von oben. Eine echte Zweitquelle erreicht oder übertrifft alle vier. Andernfalls stimmen Sie die Lastkondensatoren neu ab, berechnen die Verstärkungsreserve neu und messen den Sicherheitsfaktor auf dem Prüfplatz neu. Jede der vier Zahlen lässt sich vor der Bestellung am Datenblatt prüfen. Ein pin-kompatibles Bauteil, das eine davon verfehlt, ist kein Drop-in-Ersatz. Die Abweichung kann später als Feldrückläufer auftauchen.

Häufige Fragen

Mein Oszillator schwingt überhaupt nicht an. Was prüfe ich zuerst?

Laut AN2867 gehen Anschwingprobleme meist auf eine nicht richtig dimensionierte Verstärkungsreserve zurück. Prüfen Sie deshalb zuerst Kondensatoren und ESR. Dimensionieren Sie die Lastkondensatoren aus der CL des Quarzes, denn aus einem Referenzdesign kopierte Kondensatoren gelten nur für dessen Quarz. Prüfen Sie, ob der ESR des Quarzes mit dem gm Ihres Oszillators eine Verstärkungsreserve von mindestens 5 lässt. Prüfen Sie dann auf falsche oder fehlende Serien- bzw. Rückkopplungsbauteile. Zuletzt prüfen Sie das Layout, denn lange Leiterbahnen zum Quarz erhöhen Streukapazität und Einkopplung.

Mein Takt weicht von der Sollfrequenz ab. Ist der Quarz schlecht?

Prüfen Sie zuerst die Last, denn ein Frequenzversatz ist ein wahrscheinliches Anzeichen dafür, dass die Last Ihrer Schaltung nicht der CL des Quarzes entspricht. Rechnen Sie C = 2 × (CL − Cs) mit einem realistischen Schätzwert für die Streukapazität neu. Größere Kondensatoren ziehen die Frequenz nach unten, kleinere nach oben. Auch Toleranz, Temperaturdrift und Alterung des Quarzes selbst tragen zum Versatz bei. Das Datenblatt des ECX-34Q erlaubt ±20 ppm bei 25 °C und ±3 ppm im ersten Jahr. Verdächtigen Sie den Quarz selbst erst, wenn die Last stimmt.

Welche Streukapazität (Cs) soll ich annehmen?

ECS nennt 3 bis 5 pF als üblichen Bereich, und das durchgerechnete Beispiel in AN2867 verwendet 5 pF. Der Wert bleibt ein Schätzwert, bis Sie ihn an einigen Platinen bestätigen. Messen Sie dazu die tatsächliche Frequenz und trimmen Sie die Lastkondensatoren nach. Bei einem Quarz mit niedriger CL macht die Streukapazität einen großen Anteil an CL aus, deshalb verschiebt ein Fehler in Cs die Frequenz dort stärker.

Kann ich einfach die Kondensatoren aus dem Referenzdesign übernehmen?

Das können Sie, wenn Sie exakt denselben Quarz mit gleicher CL und gleichem Gehäuse auf einem ähnlichen Layout verwenden. Die Kondensatorwerte eines Referenzdesigns sind auf den Quarz und die Streukapazität dieser Referenz dimensioniert. Bei einem anderen Quarz oder einem stark abweichenden Layout dimensionieren Sie die Kondensatoren neu nach C = 2 × (CL − Cs).

Macht ein größerer Lastkondensator das Anschwingen zuverlässiger?

Er erschwert das Anschwingen. gmcrit steigt mit dem Quadrat der Gesamtkapazität, größere Lastkondensatoren erhöhen also die zum Anschwingen nötige Verstärkung. Kondensatoren „zur Sicherheit“ überzudimensionieren kann aus einem grenzwertigen Oszillator einen toten machen. AN2867 führt auch zu kleine Kondensatoren unter den Ursachen, dimensionieren Sie sie also so, dass sie die CL treffen.

Woran erkenne ich, dass mein Drive Level sicher ist?

Lesen Sie den maximalen Drive Level aus dem Datenblatt Ihres Quarzes ab und bleiben Sie darunter. Eine allgemeingültige Zahl gibt es nicht. Zu den Anzeichen einer Übersteuerung gehören instabiler Betrieb oder Frequenzdrift und beschleunigte Alterung. Im Extremfall fällt der Quarz aus. Wenn Sie eine Übersteuerung vermuten, ergänzen oder vergrößern Sie den Serienwiderstand auf der Ansteuerseite und messen Sie neu. Berechnen Sie danach die Verstärkungsreserve neu, denn AN2867 addiert diesen Widerstand in gmcrit zum ESR. Der Grenzwert ist eine quarzspezifische Angabe; übertragen Sie einen Widerstandswert also nicht von einem Quarz auf einen anderen.

Ändern sich diese Regeln bei einem 32,768-kHz-Uhrenquarz?

Die Formeln sind dieselben, und die Zahlen unterscheiden sich stark. Der Uhrenquarz ECX-34Q von ECS erlaubt bis zu 70 kΩ ESR und 0,5 µW Drive Level. Der ECX-33Q desselben Herstellers erlaubt von 10 bis 15,999 MHz 100 Ω und 100 µW. AN2867 lockert den Sicherheitsfaktor für den negativen Widerstand beim LSE-Oszillator auf mindestens 3, gegenüber mindestens 5 beim HSE-Oszillator. ECS bezeichnet eine zu geringe Verstärkungsreserve als häufiges Problem bei kHz-Oszillatoren und hält sorgfältiges Design für nötig, um es zu überwinden.

Fazit

Ein Quarz ist durch vier Zahlen spezifiziert: Frequenz, Lastkapazität, ESR und maximaler Drive Level. Zur Frequenz gehören eine Toleranz, eine Temperaturstabilität und ein Alterungswert, und der Aufdruck zeigt nur den Nennwert. Dimensionieren Sie die Lastkondensatoren aus der CL des Quarzes mit C = 2 × (CL − Cs). Halten Sie die von AN2867 empfohlene Verstärkungsreserve von mindestens 5 ein und bleiben Sie unter dem Drive Level des Datenblatts. Die ersten beiden Disziplinen teilen sich eine Variable. Die Kapazität, die die Frequenz festlegt, geht auch in die zum Anschwingen nötige Verstärkung ein. Eine Änderung aus dem einen Grund wirkt sich deshalb im anderen aus.

Eine Zweitquelle für einen Quarz bringt Versorgungssicherheit und Spielraum beim Preis. Sie kostet die Prüfung dieser Zahlen. Wo sie abweichen, müssen die Lastkondensatoren neu abgestimmt, die Verstärkungsreserve neu berechnet und der Sicherheitsfaktor auf dem Prüfplatz gemessen werden. Diese Prüfung ist auf dem Papier günstig, und ein im Feld gefundener Anschwing- oder Frequenzfehler ist teuer aufzuspüren.

Wir unterstützen Sie bei Bauteil- und Produktarchitekturfragen dieser Art, etwa wenn nach einem Quarztausch unklar ist, ob Lastkondensatoren und Verstärkungsreserve noch ausreichen. Dabei betrachten wir Hardware, Firmware und Beschaffung gemeinsam, besonders wenn Bauteile aus China bezogen werden.

Dieser Artikel zitiert ST AN2867 für die Formeln zu Lastkapazität und Verstärkungsreserve und gleicht sie mit NXP, ECS, Abracon und Statek ab. Er ist allgemeine ingenieurtechnische Orientierung und ersetzt weder das Datenblatt Ihres Quarzes noch die Oszillator-Spezifikation Ihres MCU noch die messtechnische Verifikation von Sicherheitsfaktor und Frequenz auf Ihrer tatsächlichen Platine.