Quarzoszillatoren Wie sich mit einer Schaltungsanalyse die Ausbeute optimieren lässt

Ganz so einfach ist es doch nicht: Auch der Einsatz eines Standard-Quarzes in einer relativ einfachen Oszillatorschaltung kann seine Tücken haben. Eine Schaltungsanalyse deckt die Ursachen auf.

Anbieter zum Thema

Keysight Technologies Deutschland GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

IQD Frequency Products Ltd

IQD wird von Kunden häufig aufgefordert, die Eignung ihrer Schaltungen zu beurteilen. Eine solche Beurteilung ist auch die Grundlage dieser Fallstudie. Der Kunde hatte im Rahmen seiner Bemühungen um Kostenreduzierung seine Produktionsausbeute analysiert und festgestellt, dass die Quarzoszillatorschaltung ein kleines, jedoch nicht unbedeutendes Ausbeuteproblem verursachte. Deshalb sandte er an IQD eines seiner fertigen Geräte zusammen mit einer Kopie der Schaltpläne und der einschlägigen Datenblätter.

Ein Standardquarz in einer relativ einfachen Schaltung

Die Quarzoszillatorschaltung war eigentlich relativ einfach; sie basierte auf der Nutzung des internen Verstärkers, der im gewählten Chipset integriert war. Der Chipset-Hersteller hatte Anweisungen zur Quarzspezifikation herausgegeben, die verwendet werden sollte, und das Konstruktionsdesign-Team des Kunden hatte diese Anweisungen auch befolgt.

Zwei parallel geschaltete 27-pF-Kondensatoren scheinen zu passen

Der Kunde hatte sich entschieden, den Standardquarz 16,0MHz HC49/4HSMX 20/30/20/18 FUND zu verwenden - also einen Quarz, der in einer Schaltung mit einer Last von 18 pF in einem Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz schwingen soll. Gewählt wurden zwei parallelgeschaltete 27-pF-Kondensatoren, um eine Kapazität von insgesamt 13,5 pF zu erreichen. Dazu kamen 3 bis 5 pF für die interne Kapazität der integrierten Schaltung, dann ein wenig mehr für die Streukapazität der Leiterplatte, und schon hatte man, wie es aussah, eine recht gute Ausgangsposition.

Was für eine stabile Schwingung zu beachten ist

In dieser Schaltung geschieht im Wesentlichen Folgendes: Der Quarz befindet sich im Rückkopplungkreis eines Verstärkers. Sobald die Schaltung eingeschaltet wird, wird ein Störsignal durch den Verstärker zurückgekoppelt und tritt aus dem Quarz aus. Nach einigen Millisekunden wird die Quarz-Resonanzfrequenz dominierend.

Um eine stabile Schwingung sicherzustellen, müssen eine Reihe von Schlüsselparameter berücksichtigt werden, nämlich der Verstärkungsfaktor, der ESR (Equivalent Series Resonance) des Quarzes, die kapazitive Last und der Quarz-Trimmwert.

Die kapazitive Elemente führen zu Frequenzabweichungen

Quarze haben eine natürliche Resonanzfrequenz. Doch jedes kapazitive Element in der Schaltung bewirkt eine Abweichung der Frequenz von ihrer natürlichen Resonanz. Wenn das kapazitive Element der Schaltung insgesamt klein ist, so hat jede Differenz eine große Auswirkung. Wenn umgekehrt das kapazitive Element der Schaltung groß ist, hat jede Differenz eine kleinere Auswirkung. Daher bringt das Betreiben der Schaltung mit einer großen kapazitiven Last Vorteile mit sich. Es trägt nämlich dazu bei, die Wirkung der natürlichen Abweichung in den Streukapazitäten zwischen verschiedenen Leiterplatten zu mildern. Ferner wird dadurch die Wirkung eines Offsets zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Kapazität minimiert.

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