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10-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Vin + – + – tiver Kopplung wichtiger. Stellen Sie sich eine Spur von 10 m Länge und 1 mm Breite vor, die direkt über einer festen Grundebene verläuft. Das Board ist ein zweischichtiger FR4-Typ mit einem Abstand zwischen den Kupferschichten von 0,31 mm. Bei Glasfasermaterial ergibt sich dann 1 pF. Doch mit oberflächenmontierten Bauteilen vergrößert sich durch deren Pad-Fläche die Kapazität auf z.B. 5 pF. Hybrid- Leiterplatten haben ein sehr dünnes Dielektrikum. Die Dielektrizitätskonstante kann hoch sein, was unter obigen Bedingungen z.B. 15 pF ergeben kann. Die parasitäre Induktivität ist abhängig von der Stromschleifenfläche. Eine große Grundebene kann normalerweise die kleinste Schleifenfläche garantieren. Benutzer von Single- Layer-Boards und Two-Layer- Boards ohne Bodenebenen müssen besondere Vorkehrungen treffen, um die Oszillatorspurlänge so kurz wie möglich zu halten bei minimaler Schleifenfläche. Es sollte auch darauf geachtet werden, dass die Stromquelle zum Mikrocontroller hin gut entkoppelt ist. Rout – G*Vin XTAL Cout Cy Mögliche Problembereiche Das Erhöhen der Kapazität von beiden Anschlüssen des Kristalls zur Erde durch Streueffekte des Platinen-Layouts ist nicht schädlich, solange es bei der Auswahl der Stabilisierungskondensatoren C x und C y berücksichtigt wird. Doch wenn die Leiterbahnen für C x und C y über mäßig lang sind, kann dies zu einer unerwünschten Induktivität führen. Bild 6 zeigt ein Modell der Auswirkungen der Leiterplatte auf die Oszillatorschaltung. Die Induktivität ist eine Funktion der Gesamtfläche. Stellen Sie sicher, dass die Wege so kurz wie möglich sind und dass der Schleifenbereich dieses Pfades so klein wie möglich ist. C x , C y , R f und der Quarz sollten also so nah wie möglich an den Oszillatorstiften des Mikrocontrollers platziert sein. Die folgenden Probleme wurden von Freescale-Anwendungstechnikern festgestellt: • lange Leiterbahnen Lange Leiterbahnen und unkontrollierte kapazitive Kopplung können Probleme verursachen. Bezugnehmend auf Bild 6: Wenn L1 oder L2 signifikant sind, kann die Nettoimpedanz von C x und L x oder C y und L y sehr klein sein, wodurch jegliche Rückkopplungsspannung effektiv beseitigt wird. Wenn eine signifikante Kapazität vorhanden ist, kann die effektive Belastung des Verstärkers viel höher sein als angenommen und die Verstärkung möglicherweise nicht ausreichen. Dies ist wahrscheinlich das Hauptproblem. Mehrschichtund Hybrid-Leiterplatten können eine erhebliche Kopplung mit Masse aufweisen. • PCB-Verunreinigungen PCB-Verunreinigungen reduzieren die Impedanz zwischen Kno- EXTAL Bild 5: Kleinsignalmodell des invertierenden Verstärkers und der Quarzschaltung (G = Open-Loop-Verstärkung des Verstärkers) L1 Cx Cin ten durch Feuchtigkeit, Flussmittel und Fingerablagerungen. Daher sollte die Platine vollständig gereinigt werden. Achten Sie besonders darauf, die Reinheit zwischen den Quarzleitungen und unter den SMT-Bauteilen zu prüfen. Dies sind berüchtigte Orte für den Flussmittelaufbau. • Stromversorgungsrauschen/- störungen Das Rauschen der Stromversorgung kann manchmal durch den Verstärker des Oszillators stark verstärkt werden. Wenn die Leistung des Versorgungsrauschens eine Harmonische der Quarzfrequenz ist oder umgekehrt, dann wird der Oszillator möglicherweise nicht beginnen zu schwingen. In anderen Fällen wurde festgestellt, dass ein Rauschelement von der Stromversorgung half, die Schaltung zum Schwingen anzuregen. Ein guter Test besteht darin, die Karte auch mit einer hochwertigen Tischversorgung zu betreiben. • kein Betrieb bei hohen Temperaturen Der Oszillator startet möglicherweise nicht bei hohen Temperaturen. In der Regel wird dies durch übermäßiges Belasten des Verstärkers verursacht. Überprüfen Sie die richtige Dimensionierung der Stabilisierungskondensatoren C x und C y . • Frequenzinstabilität Frequenzinstabilität wird normalerweise entweder dadurch verursacht, dass der Quarz „zu hart“ oder nicht ausreichend stark betrieben wird. Meist sind falsch dimensionierten Stabilisierungskondensatoren die Ursache. Bei längerem Übersteuern des Quarzes kann es zu permanentem Schaden kommen. • Hochfrequenzprobleme (>10 MHz) Ein CMOS-Verstärker hat mit zunehmender Frequenz eine Verstärkungsdämpfung. In den meisten Mikrocontrollern liegt die Open-Loop-Verstärkung bei der Betriebsfrequenz ausreichend über 1, um eine gute Leistung zu gewährleisten. Doch das Zuführen von Hilfsmikroprozessoren oder anderen Schaltkreisen kann eine solche Last bedeuten, die den Verstärker überfordert und Schwingungen provoziert. • Niederfrequenzprobleme (

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