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4-2022

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Was Sie schon immer über Quarze wissen wollten Die Auswahl eines Quarzes In diesem ersten Teil einer Whitepaper-Reihe beleuchten wir alle Auswahlaspekte von Quarzen. Somit ist die Hauptaufgabe eines Quarzes jene eines Taktgebers, d.h., ein genaues Taktsignal zu erzeugen, um die korrekte Funktion elektronischer Anwendungen zu gewährleisten. Dies stellt heute den Hauptabsatzmarkt für Quarze dar, die in sämtlichen Elektronikgeräten wie Computern, Mobiltelefonen, in Weißware, der Autoelektronik oder Netzwerkinfrastruktur Verwendung finden. Unser Alltag ist von Quarzen dominiert. Wir erleben gerade eine Informationsrevolution. Kommunikation gewinnt ständig an Bedeutung, und der Datenverkehr wächst unaufhaltsam. Für große Datentransfers sind Taktgeberpräzision und -robustheit essentielle Voraussetzungen. Die Nachfrage nach Quarzprodukten steigt, und Kunden verlangen immer fortschrittlichere Quarztechnologien. Obwohl es sich um einen einfachen Taktgeber handelt und es in den letzten 20 Jahren bereits große Veränderungen gab, ist noch immer viel Raum für weitere Entwicklungen vorhanden. Um auch hohen Design-Anforderungen gerecht zu werden, bietet Codico „Best-in-Class“- Quarze an. Diese bieten hervorragende Stabilität und können in verschiedenen Märkten und Anwendungen – wie Automo- Autor: Yasunobu Ikuno yasunobu.ikuno@codico.com Codico GmbH www.codico.com tive, Industriesteuerungen, Energiemessung, Telekommunikation und Medizintechnik – zum Einsatz kommen. Beginnen wir mit Begriffserklärungen Da es eine Vielfalt an Definitionen gibt, möchten wir diese zunächst erklären. • Quarzeinheit Bei diesen Produkten handelt es sich um ein Quarzblank in einem Keramikgehäuse (ähnliche Begriffe: Xtal, Quarzresonator, Quarz). • Quarzoszillator Diese Produkte umfassen ein Quarzblank und einen Oszillator-IC mit verschiedenen Funktionen in einem Keramikgehäuse. • SPXO (Simple Package Crystal Oscillator) Das sind Oszillatoren, die lediglich einen Oszillations-IC enthalten (ähnliche Begriffe: XO, CMOS-XO, ICXO, Taktgebermodul, Clockgenerator) • Frequenztoleranz bzw. -genauigkeit Diese lässt sich einteilen in: 1) Toleranz bei Raumtemperatur (Genauigkeit, Stabilität usw.) 2) Temperaturcharakteristik (Frequenztoleranz über den Betriebstemperaturbereich eines Quarzes); andere Begriffe sind Temperaturtoleranz und -stabilität. 3) Gesamtstabilität, Stabilität (Gesamttoleranz unter allen Bedingungen) Hauptmerkmale von Quarzen Am Anfang steht die Frage, warum man überhaupt einen Quarz braucht. Dieser übernimmt zwei Aufgaben. Die eine besteht darin, als Bandpassfilter Signale in einem bestimmten Frequenzbereich passieren zu lassen. Heutzutage wird jedoch der Markt für diese Anwendung von SAW-Filtern (Surface Acoustic Wave) dominiert, die für höhere Frequenzen geeignet sind und eine größere Bandbreite besitzen. Quarze finden weiterhin in der professionellen Funkkommunikation Einsatz, wo enge Bandbreiten und niedrigere Frequenzen gefragt sind. Warum sind Sie also auf der Suche nach einem Quarztaktgeber? Weil Sie einen ganz präzisen Taktgeber in der MCU Ihrer Anwendung brauchen. Ist der Mikrokontroller lediglich für eine einfache Aufgabe zuständig, dann kommt ein Keramikresonator zum Einsatz, da dieser sehr günstig ist. Die Genauigkeit von Keramikresonatoren beträgt jedoch nur etwa 0,5%, sodass sie häufig nicht zuverlässig genug sind. Aus diesem Grund kommen Quarze ins Spiel, da sie eine wirtschaftliche Lösung darstellen, einfach zu verarbeiten sind und eine hohe Stabilität besitzen. Wesentliche Parameter für die Auswahl des Quarzes Schauen wir uns nun die Quarze selbst an. Die drei Hauptmerkmale, die es zunächst zu überprüfen gilt, sind Schwingfrequenz f, Frequenztoleranz und Lastkapazität C L . Zum ersten Merkmal: Ein Quarz wird in einem Frequenzbereich zwischen einigen kHz bis zu 100 MHz verwendet. Der einfachste Weg, um die erforderliche Frequenz festzulegen, ist ein Blick in das Referenz- Design Ihres Mikrocontrollers. Je nach Anwendung gibt es darüber hinaus allgemein festgelegte Frequenzen. Zum Beispiel verwendet die bei CDs übliche Abtastfrequenz von 44,1 kHz eine Frequenz von 22,5792 MHz, d.h. das 512-fache der Ori- 34 hf-praxis 4/2022

Quarze und Oszillatoren hängt die Alterung im ersten Jahr nach der Produktion mehr von der Umgebung als von der Elektrodenoxidation ab, daher liegt die Toleranz etwas höher. Nach dieser Zeit sinkt die Frequenz aufgrund der Elektrodenoxidation. ginalfrequenz, während bei GPS und 4G- Mobilkommunikation häufig 38,4 MHz gewählt wird. Die kHz- und MHz-Quarze übernehmen unterschiedliche Aufgaben. Im kHz-Bereich besteht die größte Nachfrage nach 32,768 kHz für die Echtzeituhr. Aufgrund der Form des Quarzblanks wird dieser oft als Stimmgabelquarz bezeichnet. Die Einsatzbereiche für MHz- Ausführungen sind da vielfältiger. Die meisten Nachfragen kommen zurzeit für Quarze im Bereich zwischen 4 und 100 MHz. So ein Quarzblank unterscheidet sich von jenem für kHz-Frequenzen. Es besitzt eine rechteckige Form und wird aufgrund seines Schnittwinkels auch oft als AT-Schnitt bezeichnet. Die MHz-Quarzfrequenz hängt von der Stärke des Quarzblanks ab. Ein dickes Quarzblank erzeugt eine niedrige, ein dünnes eine hohe Frequenz. Daher wird mit abnehmenden Dimensionen des Quarzes auch ein Limit für das Quarzblank erreicht, und die Frequenz wird höher. Derzeit ist die maximale Größe herkömmlicher Bauformen 3225 (3,2 x 2,5 mm), deren niedrigste Frequenz bei 8 MHz liegt. Früher lag die Hauptfrequenz von Mikrocontrollern bei 4 bzw. 8 MHz; diese nahm jedoch schrittweise zu und liegt heute bei 20 bzw. 32 MHz. Nun zur Frequenztoleranz. Dabei gibt es zwei wichtige Merkmale: die Toleranz bei Raumtemperatur (25 °C) und die Toleranz über den Betriebstemperaturbereich, die sogenannte Temperaturcharakteristik. Die Toleranz bei Raumtemperatur entspricht ungefähr der Produktionstoleranz. Der Standardwert für kHz-Quarze liegt bei ±20 ppm, bei MHz-Quarzen kann er bis zu ±10 ppm betragen. Je nach Frequenz und Hersteller sind noch engere Standards möglich, so kann etwa jener für den 32,768-kHz-Quarz bei ±10 ppm, jener für MHz bei ±7 ppm bzw. ±8 ppm liegen. Aufgrund der schlechteren Ausbeute liegen die Kosten jedoch höher. Die Temperaturcharakteristik hängt vom Schnittwinkel des Quarzblanks ab. Beim 32,768-kHz-Quarz wird ein X-Schnitt verwendet, sodass diese Spezifikation einen Temperaturkoeffizienten von -0,04 ppm/K bei 25 °C besitzt. Bei den MHz-Quarzen kommt ein AT- Schnitt zum Einsatz und das Temperaturverhalten lässt sich anhand einer kubischen Kurve mit 25 °C als Mitte berechnen, s. Aufmachergrafik. Zur Einstellung dieser Kurve verschiebt man den Schnittwinkel um Winkelsekunden. Je weiter der Temperaturbereich, desto schwieriger wird es, diese kubische Kurve einzugrenzen. Normalerweise lässt sie sich auf ±10 ppm im Bereich 0...85 °C und auf ±20 ppm im Bereich -40...85 °C eingrenzen. Man muss dabei jedoch beachten, dass die Idealkurve für jede Temperatur anders ist. Weiters ist auch die Alterungstoleranz zu berücksichtigen. Die Alterung resultiert aus der Adsorption/Desorption von Verunreinigungen vom/zum Kristallrohling. Quarzlieferanten versuchen zwar, mit Stickstoffgas bzw. Vakuum im Gehäuse den Alterungsprozess zu verlangsamen, dieser ist jedoch unvermeidlich. In der Regel Das letzte zu berücksichtigende Merkmal ist die Lastkapazität. Aufgrund der verwendeten Einheit pF wird Lastkapazität stets missverstanden. Es handelt sich dabei nicht um den Kapazitätswert des Quarzes. Die Lastkapazität kann als der äußere Zielwert zur Anpassung der Frequenz auf der Leiterplatte verstanden werden. Sämtliche Quarze werden mit einer höheren Frequenz für Leerlauf hergestellt, sodass idealerweise die geforderte Frequenz genau durch die im Datenblatt angegebene Kapazität auf der PCB erreicht wird. Hierbei liegen Leitungskapazität und Eingangskapazität der angesteuerten Baugruppe parallel. Man sollte diese Kapazitäten daher kennen. C L = 15 pF ist sehr verbreitet. Lastkapazitätswerte können sich je nach Quarzlieferanten leicht unterscheiden. Jeder Lieferant verfügt über eine andere Messausstattung. Selbst wenn die gleiche Lastkapazität im Katalog angegeben ist, erhalten Sie womöglich eine andere Frequenz in Ihrer Anwendung. In so einem Fall können Sie versuchen, über die Veränderung der Leitungskapazität zu korrigieren. Weitere wichtige Parameter Es gibt noch weitere wichtige Merkmale. Dazu gehört der hf-praxis 4/2022 35

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