Fallstudie zur Analyse einer Quarzoszillatorschaltung Wie ist ein Ausbeuteproblem zu beheben?

IQDs Grafik zeigt die Schaltung mit einer 8-pF-Last.
IQDs Grafik zeigt die Schaltung mit einer 8-pF-Last.

IQD wird von Kunden häufig aufgefordert, die Eignung ihrer Schaltungen zu beurteilen. So hatte jüngst ein Kunde im Rahmen seiner ständigen Bemühungen um eine Kostenverringerung seine Produktionsausbeute analysiert und festgestellt, dass die Quarzoszillatorschaltung ein kleines, jedoch nicht unbedeutendes Ausbeuteproblem verursachte. Auf Basis eines fertigen Geräts sowie der Schaltpläne und Datenblätter analysierte IQD die Quarzoszillatorschaltung und erstellte eine Fallstudie.

Die Quarzoszillatorschaltung war eigentlich relativ einfach: Sie basierte auf der Nutzung des internen Verstärkers, der im gewählten Chipset integriert war. Der Chipset-Hersteller hatte Anweisungen zur Quarzspezifikation herausgegeben, die verwendet werden sollte, und das Konstruktionsdesign-Team des Kunden hatte diese Anweisungen auch befolgt. Der Kunde hatte sich entschieden, einen Standardquarz zu verwenden, den IQD selbst auf Lager hatte, nämlich einen Quarz vom Typ 16,0 MHz HC49/4HSMX 20/30/20/18 FUND, also einen Quarz, der dafür bestimmt ist, bei der Verwendung in einer Schaltung mit einer Last von 18 pF in einem Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz zu schwingen. Gewählt wurden zwei parallelgeschaltete 27-pF-Kondensatoren, um eine Kapazität von insgesamt 13,5 pF zu erreichen. Dazu kamen 3 bis 5 pF für die interne Kapazität der integrierten Schaltung, dann ein wenig mehr für die Streukapazität der Leiterplatte, und schon hatte man, wie es aussah, eine recht gute Ausgangsposition.

In dieser Schaltung wird der Quarz im Rückführkreis eines Verstärkers angebracht. Sobald die Schaltung eingeschaltet wird, wird ein Geräusch durch den Verstärker zurückgeführt und tritt aus dem Quarz aus. Nach ein paar Millisekunden wird die Quarz-Resonanzfrequenz dominierend. Weil eine stabile Schwingung hergestellt werden soll, muss hier eine Reihe von Schlüsselparametern berücksichtigt werden wie der Verstärkungsfaktor, die ESR (Equivalent Series Resonance) des Quarzes, die kapazitive Last und der Quarz-Trimmwert.

Kapazitive Last und Quarz-Trimmwert

Quarze haben eine natürliche Resonanzfrequenz. Doch jedes kapazitive Element in der Schaltung bewirkt eine Abweichung der Frequenz von ihrer natürlichen Resonanz. Wenn das kapazitive Element der Schaltung insgesamt klein ist, so hat jede Differenz eine große Auswirkung. Wenn umgekehrt das kapazitive Element der Schaltung groß ist, hat jede Differenz eine kleinere Auswirkung. Daher bringt das Betreiben der Schaltung mit einer großen kapazitiven Last Vorteile mit sich, denn dies trägt dazu bei, die Wirkung der natürlichen Abweichung in den Streukapazitäten zwischen verschiedenen Leiterplatten zu mildern. Ferner wird dadurch die Wirkung eines Offset zwischen der theoretischen und der tatsächlichen Kapazität minimiert.

Der Kunde hatte beschlossen, einen Quarz zu verwenden, der mit Bezug auf eine 18-pF-Last abgestimmt war. IQD kann die tatsächliche kapazitive Last der Schaltung ermitteln: Die Frequenz der Schaltung wird gemessen, wenn die Schaltung betrieben wird, anschließend wird der Quarz aus der Schaltung entfernt und dessen Resonanzfrequenz mit einem Netzwerkanalysator gemessen.

Anhand der dadurch erlangten Messwerte war es möglich zu erkennen, dass diese bestimmte Leiterplatte eine kapazitive Last mit einem Wert von 17,5 pF aufwies, der fast dem angestrebten Wert von 18 pF entspricht.Gemäß der Quarzspezifikation liegt die Frequenz im Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz bei einer Temperatur von 25 ºC. Bei der Quarzherstellung wird jeder Quarz einzeln abgestimmt auf 16,0 MHz, 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 verhältnismäßige Wirkung von Änderungen der kapazitiven Last und der daraus resultierenden Frequenzänderung ist das, was als Trimmwert bezeichnet wird, angegeben in ppm/pF. Der Trimmwert dieser Quarze betrug 17,6 ppm/pF. Es handelt sich dabei um einen festen Parameter für ein bestimmtes Design, der sich aber nicht erheblich zwischen den verschiedenen Quarzen unterscheidet. Der Trimmwert wird ermittelt anhand der Quarzabmessungen, der Elektroden am Quarz sowie der Größe und Form der Halterung. In diesem Fall waren die vorliegenden Quarze so abgestimmt worden, dass sie im Bereich ±20 ppm bei 18 pF lagen, der Kunde verwendete sie bei 17,5 pF. Daher hatten alle von IQD hergestellten Quarze eine positive Offset-Frequenz von 8,8 ppm; folglich lagen einige von ihnen eventuell außerhalb des Bereichs von ±20 ppm.