Schwingquarze in SMD-Bauform.

Schwingquarze in SMD-Bauform. WDI

Der Trend in der Elektronik geht heute zu immer kleineren und komplexeren Baugrößen. Zusätzlich fordert der Markt einen immer niedrigeren Energieverbrauch der Komponenten, was die stark wachsende Anzahl sogenannter Low-Power-Anwendungen erklärt. Hiervon sind natürlich auch frequenzbestimmende Bauteile wie Schwingquarze betroffen. Die Miniaturisierung von Schwingquarzen führt zwar zu einer Reduzierung der schwingenden Masse, aber auch zu einer deutlichen Verkleinerung der auf dem Quarzblank zur Verfügung stehenden Elektrodenfläche, wodurch Schwingquarze kleinerer Bauformen immer einen deutlich erhöhten Serienwiderstand aufweisen.

Eckdaten

Je kleiner die Quarzbauform wird, umso kritischer ist die Schaltungsauslegung. Soll ein Quarz in einer diskret aufgebauten Oszillatorschaltung sicher anschwingen und in einem weiten Temperaturbereich frequenzstabil oszillieren, muss der Schwingkreisverstärker fünf- bis zehnmal mehr Erregungsenergie aufbringen können, als im ESR des Quarzes verloren geht. Ein wichtiges Kriterium ist auch eine richtig dimensionierte Lastkapazität. Komplette Quarzoszillatoren sind werksseitig optimal abgestimmt, garantieren ein sicheres Anschwingen und sind im Zweifelsfall die bessere Wahl.

Kleinere Bauform, höherer ESR

Wird die Impedanz eines realen Quarzes als Serienersatzschaltbild dargestellt, so bewirkt der ohmsche Anteil – der Serienwiderstand oder auch  ESR (Equivalent Series Resistance) – eine Dämpfung des Schwingkreises. Der Energieverlust durch den Serienwiderstand im Oszillatorschaltkreis muss immer ausgeglichen werden, damit der Quarz weiter schwingt. Dies übernimmt der im Oszillatorschaltkreis eingesetzte Verstärker, welcher durch seine Verstärkung einen negativen Resonanzwiderstand -R erzeugt und damit die im ESR verlorengegangene Energie nachliefert.

Bild 1: Mithilfe eines Potenziometers in Reihe zum Quarz lässt sich die Anschwingsicherheit ermitteln.

Bild 1: Mithilfe eines Potenziometers in Reihe zum Quarz lässt sich die Anschwingsicherheit ermitteln. WDI

Um ein sicheres Anschwingen wie auch ein stabiles  Frequezsignal zu gewährleisten, muss dem Schwingquarz die zirka 5 bis 10-fache Energie zugeführt werden. Je größer dieser (Energie-) Wert ist, desto schneller schwingt der Quarz an. Kommen bei stromsparenden Anwendungen kleine Quarzbauformen zum Einsatz, ist zu bedenken, dass durch den erhöhten Serienwiderstand der Energieverbauch der Oszillatorschaltung höher ist.

Grundsätzlich gilt: Je kleiner die Bauform und je niedriger die Frequenz, desto größer ist der Serienwiderstand (ESR) eines Schwingquarzes. Primär ursächlich dafür ist die kleinere Elektrodengröße auf dem Quarzblank. Der ESR-Wert beeinflusst immanent das Anschwingverhalten eines Quarzes in der Schaltung.

Beispiel: Einfluss der Bauform auf den ESR-Wert

Ein 16.000-MHz-Schwingquarz in einem bedrahteten Gehäuse der sehr gängigen Bauform HC49/S besitzt einen maximalen ESR-Wert von beispielsweise 40 Ohm. Die bei Neuentwicklungen bevorzugte SMD-Bauform 2,5 × 2,0 mm2 hat einen ESR-Wert von üblicherweise maximal 100 Ohm. Aus diesem Grund ist verständlicherweise die Schaltung anzupassen, da eine Verdoppelung des ESR-Wertes in der ursprünglichen Schaltung mit großer Wahrscheinlichkeit zu nicht unerheblichen Problemen führen würde.

Bild 2: Berechnungsbeispiel zur Anschwingsicherheit.

Bild 2: Berechnungsbeispiel zur Anschwingsicherheit. WDI

Eine häufig in der Hardware-Entwicklung verwendete Methode zur ersten Einschätzung der Anschwingsicherheit ist, ein Potenziometer in Serie zum Quarz zu schalten, welches mindestens einen 5 bis10-fachen ESR-Wert des zu vermessenden Schwingquarzes haben sollte (Bild 1). Beginnend vom größten Widerstandswert wird das Potenziometer solange verstellt, bis der Quarz zu oszillieren beginnt. Zur überschlägigen Berechnung der Anschwingsicherheit wird der ermittelte Widerstandswert des Potis in der nachfolgenden Formel als Wert Rvar eingetragen:

Einfluss der Lastkapazität

Ein weiter überaus wichtiger Parameter ist die Lastkapazität des Quarzes, welche unbedingt zur Auslegung des Oszillatorschaltkreises passen sollte. Bei jeder Abweichung vom Sollwert schwingt der Quarz nicht mehr auf der vorgesehenen Nennfrequenz. Daraus können sich schnell Frequenzabweichungen von deutlich mehr als 100ppm ergeben. Im schlimmsten Fall kann es durch Aufsummierung in der Toleranzkette dazu kommen, dass sich beim Betrieb in einem weiten Temperaturbereich von-40 bis 85 °C Quarz und MCU nicht mehr „verstehen“ und dies zum Ausfall der Schaltung führt.

Bild 3: Oszillatorschaltkreis mit den an Masse gelegten Kondensatoren C1 und C2.

Bild 3: Oszillatorschaltkreis mit den an Masse gelegten Kondensatoren C1 und C2. WDI

Die Lastkapazität setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen und beinhaltet sowohl die an den beiden Anschlüssen des Quarzes gegen Masse geschalteten Kondensatoren C1 und C2 (Bild 2) als auch verschiedene, üblicherweise mit der Bezeichnung Cstray (Stray-Capacity) zusammengefasste Kapazitäten, wie beispielsweise Streukapazitäten der Leiterplatte sowie die parasitäre Kapazität des Oszillator-ICs, an welchem der Schwingquarz angeschlossen ist.

Oft werden kleine SMD-Bauformen auch mit einer tendenziell eher kleineren Lastkapazität spezifiziert (beispielsweise 12 pF), da hierdurch die Werte der verwendeten Parallel-Kondensatoren niedriger gewählt werden können, was sich positiv auf das Anschwingverhalten des Schwingquarzes auswirkt.  Bild 4 zeigt ein Berechnungsbeispiel für die Lastkapazität.

Bild 4: Berechnungsbeispiel zur Lastkapazität.

Bild 4: Berechnungsbeispiel zur Lastkapazität. WDI

Wie bereits beschrieben, kann der hohe Serienwiderstand von kleinen Schwingquarzbauformen bei sehr niedrigen Frequenzen zu Problemen in der Schaltung führen. Der Einsatz eines fertigen Quarzoszillators anstelle einer diskreten Schwingquarzschaltung kann hier die bessere Wahl sein. Eine solche Komplettlösung ist werksseitig optimal abgestimmt und garantiert ein sicheres Anschwingen.

Auch kann es in einigen Fällen durchaus sinnvoll sein, die Schaltung vor Finalisierung einem Matching-Test zu unterziehen. Dabei werden in einem Testaufbau alle Verhältnisse der Schaltung gemessen und Korrekturvorschläge hinsichtlich Anpassung der Lastkapazität des Quarzes beziehungsweise Änderungen der extern verwendeten Parallelkapazitäten C1 und C2 unterbreitet. Dies hilft unter anderem bei der Optimierung  von Anschwingsicherheit und Güte der Oszillatorschaltung. Etablierte Hersteller wie auch einige Distributoren bieten diese Dienstleistung in der Regel auch kostenlos für ihre Kunden an.