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Takterzeugung

Resonatoren richtig auswählen

23. Oktober 2014, 9:44 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Oszillator-Referenzdesign

Bild 1 zeigt ein Referenzdesign für eine Oszillatorschaltung. Der Rückkoppelwiderstand ist hier dem CMOS-Inverter parallelgeschaltet, jedoch kann er auch in den zugehörigen Mikrocontroller integriert sein. Seine Aufgabe ist es, die Spannung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Inverters so auszugleichen, dass dieser als Verstärker arbeiten kann. Sofern der Rückkoppelwiderstand nicht in den Mikrocontroller integriert ist, empfiehlt es sich, einen externen Widerstand von 1 MΩ zu verwenden. Der Dämpfungswiderstand wird an den Ausgang der Oszillatorschaltung (Xout) angeschlossen. Er dient dazu, die Schwingungsamplitude zu verringern und damit den Treiberpegel zu reduzieren. Dabei ist allerdings zu beachten, dass ein zu hoher Dämpfungswiderstand die Oszillation zum Erliegen bringen kann.

Den Dämpfungswiderstand wählt der Entwickler im Allgemeinen zwischen 0 kΩ und 2 kΩ, wofür die Eigenschaften des Mikrocontrollers mitentscheidend sein können. Die externen Lastkapazitäten, deren Werte sorgfältig zu wählen sind, werden an den Eingang und den Ausgang der Oszillatorschaltung angeschlossen. Hierbei handelt es sich um wichtige Bauelemente, die den negativen Widerstand und die Schwingfrequenz direkt beeinflussen. Als externe Lastkapazitäten kommen zwei ähnliche Kondensatoren zum Einsatz. Hier lassen sich Kondensatoren mit Werten zwischen 5 pF und 10 pF verwenden, wobei die Eigenschaften des Mikrocontrollers und der parasitären Kapazität des Substrats, auf dem die Montage erfolgt, die genauen Werte bestimmen.

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Beim Leiterplatten-Layout (Bild 2) sollte man darauf achten, die Oszillations-Reserven nicht zu klein zu wählen und keine EMI-Probleme heraufzubeschwören. Die Signal-Leiterbahnen der Oszillatorschaltung sollten so kurz wie möglich sein, um jegliche Streuinduktivitäten und -kapazitäten zu minimieren. Auf die Durchsteckmontage sollte in Oszillatorschaltungen verzichtet werden, da hierdurch erhebliche elektromagnetische Störungen entstehen können. Masse- oder Signalleitungen sollte man nicht auf der mittleren Lage von Multilayer-Leiterplatten anordnen, damit sie nicht die Oszillatorschaltung überlappen, denn hierdurch würden große Streukapazitäten zwischen Masse und Oszillatorschaltung entstehen. Große Streukapazitäten aber können die Oszillation zum Erliegen bringen, wenn die Schaltung geringe Reserven aufweist. Der Signalweg unmittelbar neben dem Eingang des CMOS-Inverters kann elektromagnetische Störungen erzeugen, da jegliche Störgrößen mit verstärkt werden. Bei der Montage des Resonators sollten Bestückungsmaschinen mit optischer Positionierung verwendet werden, um dem Bauelement übermäßige mechanische Belastungen zu ersparen.