Pourquoi la capacité de charge compte
Un quartz n’oscille à la fréquence gravée sur son boîtier que s’il voit la capacité de charge CL indiquée sur sa fiche technique, souvent 8, 12, 18 ou 20 pF. Dans l’oscillateur Pierce habituel, deux condensateurs C1 et C2 relient chaque broche du quartz à la masse. Le quartz les voit en série, plus la capacité parasite des pistes et des broches du circuit :
CL = (C1 × C2) ÷ (C1 + C2) + C_parasite
Avec deux condensateurs égaux : C1 = C2 = 2 × (CL − C_parasite).
Exemple
Un quartz de 18 pF sur une carte d’environ 5 pF de capacité parasite demande 2 × (18 − 5) = 26 pF sur chaque broche. La valeur normalisée la plus proche, 27 pF, donne une charge de 27 ÷ 2 + 5 = 18,5 pF.
De combien la fréquence bouge
Une charge différente de CL « tire » la fréquence. Avec la capacité motionnelle C1 du quartz (quelques femtofarads) et sa capacité parallèle C0 (quelques picofarads) :
Δf ÷ f ≈ (C1 ÷ 2) × (1 ÷ (C0 + CL_réelle) − 1 ÷ (C0 + CL_spécifiée))
Avec C1 = 15 fF et C0 = 5 pF, les 0,5 pF de trop font baisser la fréquence d’environ 7 ppm. Trop de capacité ralentit le quartz, pas assez l’accélère.
Tolérances usuelles
| Application | Exigence habituelle |
|---|---|
| UART | Moins de ±1 % environ (10 000 ppm), très facile |
| USB full speed | ±2 500 ppm |
| Ethernet | ±50 ppm |
| Bluetooth Low Energy | ±50 ppm ou mieux |
| Quartz horloger 32,768 kHz | ±20 ppm représentent environ 1 minute par mois |
Conseils pratiques
- La capacité parasite tourne souvent autour de 2 à 5 pF : mesurez la fréquence réelle sur un prototype et ajustez.
- Ne mettez pas simplement la valeur de CL sur chaque broche : l’erreur de charge serait doublée.
- Des condensateurs trop gros réduisent aussi la marge de gain de l’oscillateur et peuvent l’empêcher de démarrer, surtout avec les quartz basse consommation de 32,768 kHz.
- Gardez les pistes du quartz courtes, évitez de faire passer des signaux dessous et placez les condensateurs au plus près des broches.
- Les notes d’application des fabricants de microcontrôleurs (par exemple celles de ST pour les STM32) donnent la marge de gain à vérifier pour chaque quartz.