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

Erhöhung des negativen Widerstands

Wenn der Quarz-ESR nicht verringert werden kann, scheint es, dass die einzige Möglichkeit darin besteht, den negativen Widerstand zu erhöhen. Durch eine Änderung des Werts der zum Beladen mit dem Quarz verwendeten Kondensatoren kann der negative Widerstand geändert werden. Dank einer Kombination aus Erfahrung und Experimenten wurde festgestellt, dass sich, wenn die Schaltung mit zwei 8 pF-Kondensatoren, anstatt mit zwei 27-pF-Kondensatoren betrieben wird, der negative Widerstand auf 220 Ω erhöht. Beim Vergleich mit dem ESR von 40 Ω können wir erkennen, dass das Verhältnis nun viel günstiger ist, da es 5,5 beträgt. Der ESR des Quarzes kann dann als kleinerer Wert spezifiziert werden, etwa 20 Ω. Jetzt beträgt das Verhältnis im schlechtesten Fall 220/20, was einen günstigen Wert von 11 ergibt, und die Schaltung ist gut und robust konstruiert.

Leider ist die Sache nicht ganz so einfach. Durch eine Verringerung der kapazitiven Last auf 4 pF plus interne Kapazität und Streukapazität ergibt sich ein Gesamtwert von ungefähr 8 ... 10 pF. Der oben angesprochene Trimmeffekt hat nun einen größeren Einfluss und bewirkt eine Abweichung der endgültigen Frequenz auf +335 ppm von 16,0 MHz. Dies liegt deutlich außerhalb des vom Kunden benötigten Toleranzbereichs von ±20 ppm und würde zweifellos bedeuten, dass die Schaltung nicht richtig funktionieren könnte. Daher musste ein Kompromiss zwischen Komplexität und Preis geschlossen werden. Wie oben erklärt, wird die Resonanzfrequenz eines Quarzes durch Zugeben von Metall auf der Quarzoberfläche abgestimmt. Andere Parameter werden nicht geändert. Das heißt, dem Kunden kann die gleiche Quarzspezifikation von 16,0 MHz angeboten werden; diese ist jedoch für eine Verwendung im Bereich von ±20 ppm abgestimmt, mit Bezug auf eine Last von 8 pF anstelle der ursprünglichen Last von 18 pF.

Ein höherer Trimmwert bewirkt eine größere Frequenzabweichung

Dass der Quarz mit einem näher bei Null liegenden Lastwert verwendet wird, bedeutet, dass der tatsächliche Trimmwert nun von 17,6 ppm/pF auf 59,8 ppm/pF gestiegen ist. Daher wird wiederum ein Offset zwischen der tatsächlichen kapazitiven Last der Schaltung und der erwarteten kapazitiven Last jetzt zu einer weitaus größeren Abweichung der Frequenz führen als in der ursprünglichen Konstruktion. Ursprünglich hatten wir einen Offset von 0,5 pF, der eine Frequenzverschiebung von 8,8 ppm bei der Verwendung einer Last von 18 pF bewirkte. Jetzt, mit einer Last von 8 pF, bewirkt ein Offset von 0,5 pF eine Frequenzverschiebung von 29,9 ppm. Wie zuvor, bedeutet dies, dass einige der Teile in einem Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz praktisch nicht mehr funktionieren werden.

Die Lösung des Problems

Glücklicherweise wurde in diesem Fall gemäß dem ursprünglichen Chipset-Datenblatt eine Frequenz im Bereich von ±50 ppm bei 16,0 MHz vorausgesetzt. Es ist durchaus verständlich, dass der Kunde für die Konstruktion einen Standardquarz mit einer Spezifikation von ±20 ppm verwendet hat, da es sich um einen preiswerten und leicht erhältlichen Quarz handelte, der die Anforderungen erfüllte. Die hier zusätzlich verfügbaren 30 ppm überstiegen den Frequenz-Offset, der von der Lastkapazitätsabweichung bewirkt wurde; also war das Problem gelöst.

Messungen bestätigen die theoretischen Erkenntnisse

Anhand einiger Stichproben und weiterer Messungen wurden die theoretischen Erkenntnisse bestätigt, und die Produktionsausbeute des Kunden ließ sich erheblich verbessern, ohne dass ein größeres Neu-Design erforderlich war. Nur drei Komponenten mussten geändert werden, zwei Kondensatoren mit einem Standardwert und die Quarzspezifikation, die feinangepasst wurde. Da die Abweichung von unserem Standardquarz sehr gering ausfällt, konnte IQD dem Kunden einen erschwinglichen Preis anbieten.

Zusammenarbeit mit dem Applikations-Support des Herstellers

Diese Fallstudie unterstreicht, wie wichtig es ist, dass Entwickler die Schaltungsdesigns an einem Leiterplattenmodell in der Theorie vollständig testen und die Quarzeignung zusammen mit dem Applikations-Support-Team des Frequenzprodukt-Herstellers überprüft wird.

* * Nick Amey ... ist Engineering Manager bei IQD.

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