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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Schwingquarz oder

Design Schwingquarz oder Quarzoszillator – wie einsetzen? Oft stellt sich dem Entwickler einer elektronischen Baugruppe die Frage, ob ein Schwingquarz oder ein Quarzoszillator eingesetzt werden soll. Es gilt, den verschiedenen Randbedingungen wie Platzbedarf, Frequenzstabilität, Bauteilkosten und Entwicklungskosten gerecht zu werden. Kleine Stückzahlen oder fehlende Kapazität für das Analog-Design - Oszillatoren einsetzen! Mit einem Schwingquarz kann der Entwickler prinzipiell selbst seine eigene Oszillatorschaltung aufbauen. Weshalb setzt man dann Oszillatoren oft sogar als Taktgeber in einfachen Anwendungen ein? Oder in Fällen, bei denen der Microcontroller bereits mit internen aktiven Komponenten die Verwendung eines Quarzes ermöglicht? Der Grund liegt nicht nur in der geforderten Frequenzstabilität. Definiertes Anschwingverhalten und die Betriebssicherheit über den gesamten Temperaturbereich sind oft von größerer Bedeutung. Bei Quarzen ist ein gewisser Aufwand erforderlich, um die Schaltung an den Quarz anzupassen und sicheren Betrieb zu gewährleisten. Bei geringen Quelle: Applikationsschrift: „Schwingquarz oder Quarzoszillator – wie einsetzen?“ Geyer Electronic www.geyer-electronic.de Bild 1: Einfacher Oszillator in SMD-Bauform in der Größe 7 x 5 mm. Solche Oszillatoren sind erhältlich für die Frequenzen von 1,0 MHz bis 160 MHz und für Versorgungsspannungen von 1,8 V / 2,5 V / 3,0 V / 3,3 V und 5 V Stückzahlen ist es in jedem Fall günstiger, sich den erhöhten Entwicklungsaufwand zu sparen und statt eines Quarzes den teureren Oszillator zu verwenden. Beim Einsatz eines Oszillators entfallen die Bauteile, die zur Anpassung des Quarzes erforderlich gewesen wären. So spart man auch Platz auf dem PCB. Oszillatoren sind leicht verfügbar, zum Beispiel in SMD-Bauform in den Größen 7 x 5 mm oder kleiner. Im Datenblatt von Microcontrollern finden sich Hinweise, wie ein externer Oszillator angeschlossen wird. Nur bei sehr großen Stückzahlen, wenn ein Oszillator nicht bereits intern in einem IC auf der Baugruppe vorhanden ist und wenn der Platz ausreicht, ist es wirtschaftlich sinnvoll, sich mittels einzelner Bauelemente und eines Quarzes seinen Oszillator selbst zu bauen. Große Stückzahlen – ein Schwingquarz ist die beste Wahl! Die Verwendung eines Quarzes bringt bei großen Stückzahlen Kostenvorteile. Meistens enthält der Microcontroller bereits eine aktive Komponente, die es erlaubt, mit einem Quarz und wenigen passiven Komponenten einen Oszillator zu konfigurieren. Die Anwenderinformationen der IC-Hersteller geben einige Basisinformationen zur Beschaltung, vernachlässigen jedoch oft wichtige Details, wie z.B. die zulässige Quarzbelastung oder die angemessene Dimensionierung der Quarz-Peripherie. Ab etwa 40 MHz werden in der Regel Oberton-Quarze eingesetzt. Diese erfordern schaltungstechnische Vorkehrungen, um das Anschwingen auf dem Grundton zu unterbinden. Schaltungen mit Oberton-Quarzen sollten besonders sorgfältig dimensioniert und in ihrem Betriebsverhalten geprüft werden. Pierce-Oszillator mit Inverter Diese Konfiguration ist am häufigsten anzutreffen. In Bild 2 ist links die prinzipielle Konfiguration zu sehen, die statt des Inverters auch mit einem einfachen Transistor realisiert werden könnte, um eine Phasenverschiebung von 180° und auch Verstärkung zu erhalten. Für weitere 180° muss ein Rückkopplungs- Netzwerk sorgen, das aus dem Quarz zusammen mit zwei Kondensatoren C 1 und C 2 und einem Widerstand R V besteht. Insgesamt erhält man somit 360°, die zusammen mit angemessener Verstärkung die Schwingbedingung erfüllen. Bei Microcontrollern ist meist der Inverter für diese Pierce- Oszillatorschaltung bereits enthalten. Dies erlaubt zudem sehr einfach, statt eines Quarzes einen Oszillator an OSC1 anzuschließen und OSC2 offen zu lassen. Der Widerstand R V kann, z.T. als Ausgangsimpedanz des Inverters und/oder als integrierter Widerstand bereits im Microcontroller enthalten sein. Das gleiche gilt für den hochohmigen Widerstand RGK, der den DC-Arbeitspunkt einstellt. Leider machen die Halbleiterhersteller hierzu kaum Angaben. C 1 , der Schwingquarz, C 2 und R V bilden das frequenzrelevante Rückkopplungs-Netzwerk. C 1 , C 2 und R V sollten so gewählt werden, dass sich insgesamt die passende Lastkapazität für den Quarz ergibt und gleichzeitig die maximal zulässige Quarzbelastung nicht überschritten wird. Diese kann insbesondere mit R V eingestellt werden. Viele Prozessor-Hersteller integrieren bereits einen Widerstand am Inverterausgang, es ist jedoch sinnvoll, die Platzierung eines (zusätzlichen) externen Widerstands vorzusehen, wenn in den Datenblättern Angaben zu Impedanz- und Spannungs-Niveaus fehlen. Nur bei Kenntnis der Parameter am Ausgang des Inverters kann man optimales Phasen- und Schwingverhalten erzielen und vermeiden, dass die zulässige Quarzbelastung überschritten wird. 12 hf-praxis 4/2015

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