Wie sich mit einer Schaltungsanalyse die Ausbeute optimieren lässt

Anbieter zum Thema

Keysight Technologies Deutschland GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

IQD Frequency Products Ltd

Ermittlung der tatsächlichen kapazitiven Last der Schaltung

Unser Kunde hatte beschlossen, einen Quarz zu verwenden, der mit Bezug auf eine 18-pF-Last abgestimmt war. Die tatsächliche kapazitive Last der Schaltung lässt sich ermitteln, indem die Frequenz der Schaltung im Betrieb gemessen wird. Anschließend entfernt man den Quarz und misst dessen Resonanzfrequenz mit einem Netzwerkanalysator. Anhand der so erlangten Messwerte zeigte sich, dass die Leiterplatte eine kapazitive Last von 17,5 pF aufwies, was fast dem angestrebten Wert von 18 pF entspricht.

Jeder Quarz wird in der Fertigung einzeln abgestimmt

Gemäß der Quarzspezifikation liegt die Frequenz im Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz und einer Temperatur von 25 ºC. Wenn IQD die Quarze herstellt, wird jeder Quarz einzeln auf 16,0 MHz abgestimmt, indem auf der Quarzoberfläche Metall zugegeben wird, während er in einem Netzwerkanalysator untersucht wird. Mehr Metall bedeutet mehr Masse, daher verlangsamt sich die Frequenz. Dieser Prozess wird bereits unter Berücksichtigung der kapazitiven Last ausgeführt. Falls zwischen der kapazitiven Last, die IQD zur Frequenzabstimmung verwendet hat, und der kapazitiven Last, der die Leiterplatte den Quarz aussetzt, ein Offset besteht, hat dies Auswirkungen auf die Frequenz, mit der die Schaltung betrieben wird.

Die Frequenz hängt von der kapazitiven Last ab

Die verhältnismäßige Wirkung von Änderungen der kapazitiven Last und der daraus resultierenden Frequenzänderung wird Trimmwert bezeichnet und in ppm/pF angegeben. Der Trimmwert dieser Quarze betrug 17,6 ppm/pF. Es handelt sich dabei um einen festen Parameter für ein bestimmtes Design und er unterscheidet sich nicht erheblich zwischen den verschiedenen Quarzen. Der Trimmwert wird ermittelt anhand der Quarzabmessungen, der Elektroden am Quarz sowie der Größe und Form der Halterung.

Einige Quarze lagen eventuell außerhalb der Toleranz

In unserem Fall waren die Quarze so abgestimmt, dass sie im Bereich ±20 ppm bei 18 pF lagen, und der Kunde verwendete sie bei 17,5 pF. Daher hatten alle von uns hergestellten Quarze eine positive Offset-Frequenz von 8,8 ppm; folglich lagen einige von ihnen eventuell außerhalb des Bereichs von ±20 ppm.

Der ESR hat Einfluss auf viele Parameter

Um eine stabile Oszillation zu erreichen, muss der Verstärkungsfaktor größer sein als der Widerstand des Rückführkreises. Wenn man einen Quarz in einen Netzwerkanalysator setzt, erkennt man, dass er eine hohe Impedanz gegenüber Frequenzen auf beiden Seiten seiner Resonanzfrequenz hat, bei seiner Resonanzfrequenz hingegen eine geringe Impedanz, doch dass dieser Wert nach wie vor nicht null beträgt. Für den fraglichen Teil konnte bei der Resonanz eine Impedanz von weniger als 40 Ω garantiert werden.

Kompromiss zwischen Ausbeute und Preis

Man beachte in dem Zusammenhang, dass der gemessene ESR des Quarzes 10,2 Ω betrug. Der Quarz-ESR ist ein Faktor für viele Aspekte, etwa die Quarzqualität und die Sauberkeit des Produktionsablaufs. Folglich sind die ESR-Werte in einer Produktionsserie statistisch verteilt. Der garantierte ESR-Grenzwert für Standardprodukte soll einen Kompromiss zwischen Ausbeute und Preis widerspiegeln.

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