Einfluss der Kondensatorentoleranz auf die Nennfrequenz von Quarzen

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In Oszillatorschaltungen geht der Trend bei Schwingquarzen immer mehr zu kleineren Bauformen, auch wenn damit die Abstimmung komplexer werden kann. Kleinere Bauformen verfügen über höhere ESR-Werte als größere Bauformen bei gleicher Frequenz. Dies wirkt sich erheblich auf die Anschwingsicherheit der Oszillatorschaltung aus.

Um ein sicheres Anschwingen zu gewährleisten, werden die Werte der Lastkapazitäten niedriger gewählt. Wichtig ist dabei zu bedenken, dass Quarze mit einer niedrigeren Lastkapazität C_L – z.B. mit 12 pF – deutlich ziehempfindlicher (T_S (ppm/pF)) sind, als solche, die mit z.B. 30 pF spezifiziert sind.

Jeder Grundwellenquarz hat eine gewisse Ziehfähigkeit, die, einfach ausgedrückt, von der Baugröße, der Frequenz und der Lastkapazität des Quarzes abhängig ist.

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Beispiel:

SMD-Schwingquarz 5 mm x 3,2 mm, 20,000 MHz, 12 pF, T_S = 17 ppm/pF (Ziehfähigkeit oder „Pulling“) (siehe Tabelle),

SMD-Schwingquarz 5 mm x 3,2 mm, 20,000 MHz, 30 pF, T_S = 3 ppm/pF (Ziehfähigkeit oder „Pulling“).

Grundsätzlich gilt, dass die Ziehfähigkeit bei gleicher Frequenz in einer kleineren Bauform stets geringer wird.

Bei heute verwendeten ICs kommt man meist mit hohen Lastkapazitäten im Hinblick auf eine ausreichende Anschwingsicherheit nicht mehr zurecht. Daher ist es meist unumgänglich möglichst niedrige Lastkapazitäten zu wählen, um eine befriedigende Anschwingsicherheit zu erhalten (siehe Bild 1).

Für unsere Betrachtung wählen wir folgende Variante aus, damit die Problematik der Toleranzen deutlich wird:

SMD-Schwingquarz 5 mm x 3,2 mm, 20,000 MHz, Lastkapazität 12 pF, Frequenztoleranz ±30 ppm @ 25 °C, Frequenzstabilität ±30 ppm @ –40 bis 85 °C, ESR 40 Ω max.

Die beiden verwendeten Parallelkondensatoren C₁ und C₂ in Bild 2 sind 12 pF (X7R-Kondensatoren mit 10% Toleranz).

Toleranzrechnung

C₁/C₂ = 12 pF Toleranz ±10% = ±1,2 pF, Ziehfähigkeit des Quarzes T_S = 17 ppm/pF => ergibt worst case ±20,4 ppm Frequenzabweichung.

Diese zusätzlichen ±20,4 ppm Frequenzversatz, resultierend aus den Toleranzen der Parallelkondensatoren, führen dazu, dass der gewählte Quarz seine spezifizierte Frequenzstabilität von ±30 ppm über Arbeitstemperatur nicht mehr einhalten kann.

Ansatz zur Korrektur:

In diesem Fall empfiehlt sich die Verwendung von Kondensatoren mit einem anderen Dielektrikum, z.B. COG oder NPO mit einer Toleranz von ±1%. Dadurch ergibt sich eine Frequenzabweichung von „nur“ ±2,04 ppm. Werden Quarze mit engen Toleranzen, z.B.mit einer Frequenztoleranz von ±10 ppm und ±10 ppm Frequenzstabilität verwendet, sind Parallelkondensatoren mit 1% Toleranz zwingend erforderlich, da z.B. Bluetooth-Verbindungen bei größeren Toleranzüberschreitungen nicht mehr zuverlässig funktionieren.

Nun haben wir hier lediglich die Toleranzen der Parallelkondensatoren betrachtet. Zu berücksichtigen ist, dass alle anderen Toleranzen – wie die Frequenztoleranz, die Frequenzstabilität als auch die Toleranzen der Schaltung an sich – noch hinzugerechnet werden müssen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2020 (Download PDF)

Die Abweichungen durch Schwankungen in der Versorgungsspannung und Toleranzen durch Alterung sind hier ebenfalls noch unberücksichtigt. Daher ist es umso wichtiger, die Auslegung der Lastkapazitäten in der Oszillatorschaltung schon im Designstadium so exakt wie möglich zu bestimmen, damit es später nicht zu unerwarteten Überraschungen kommt, die sich durch nicht berücksichtigte, mögliche Toleranzadditionen ergeben.

* Gerd Reinhold ist Senior Field Application Engineer FCP bei der WDI AG in Wedel bei Hamburg.

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