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Fallstudie zur Analyse einer Quarzoszillatorschaltung

Wie ist ein Ausbeuteproblem zu beheben?

24. Mai 2011, 10:02 Uhr | Von Nick Amey

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Negativer Widerstand und ESR

Um eine stabile Oszillation zu erreichen, muss der Verstärkungsfaktor größer sein als der Widerstand des Rückführkreises. Wenn man einen Quarz in einen Netzwerkanalysator setzt, erkennt man, dass er eine hohe Impedanz gegenüber Frequenzen auf beiden Seiten seiner Resonanzfrequenz hat, bei seiner Resonanzfrequenz hingegen eine geringe Impedanz, doch dass dieser Wert nach wie vor nicht null beträgt. Für den fraglichen Teil konnte bei der Resonanz eine Impedanz von weniger als 40 Ohm garantiert werden. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass der gemessene ESR des Quarzes 10,2 Ohm betrug. Der Quarz-ESR ist ein Faktor für viele Aspekte wie etwa die Quarzqualität und die Sauberkeit des Produktionsablaufs. Folglich sind die ESR-Werte in einer Produktionsserie statistisch verteilt. Der garantierte ESR-Grenzwert für Standardprodukte spiegelt somit einen Kompromiss zwischen Ausbeute und Preis wider.

IQD kann den negativen Widerstand der Schaltung in einem einfachen, praktischen Verfahren messen. Wenn die Leiterplatte genommen und in der Rückführkreiseinheit ein Serienwiderstand integriert wird, kann die Schaltung nicht mehr eingeschaltet werden. Als Faustregel wird vorgegeben, dass ein Verhältnis von mindestens 10 zwischen dem negativen Widerstand und dem Quarz-ESR erreicht werden soll. Leider konnte die Schaltung im konkreten Fall mit zusätzlich nur 30 Ohm nicht eingeschaltet werden. Wenn man den ESR-Wert des Quarzes dazurechnet, kann man sagen, dass die Schaltung einen negativen Widerstand im Bereich von 40 Ohm aufweist. Deswegen ist im Vergleich mit dem eigentlichen Quarz-ESR von 10 Ohm ein Verhältnis von 4 gegeben, jedoch im Vergleich mit dem ESR-Wert im schlechtesten Fall ein Verhältnis von 1. Das ist offenkundig nicht gut genug. Praktisch bedeutet es, dass sich einige der mittels dieser Schaltung hergestellten Leiterplatten eventuell nicht einschalten lassen. Dies ist wahrscheinlich die Ursache für das Ausbeuteproblem, das der Kunde mit dieser Leiterplatte hat.

Die Lösung

Für dieses Problem gibt es etliche mögliche Lösungen. Die einfachste ist, einen geringeren ESR-Wert als den Standardwert von 40 Ohm zu garantieren. Wie oben erklärt, betrug der eigentliche ESR der gemessenen Teile 10,2 Ohm; für diesen besonderen Quarz ist 10 Ohm nämlich der ESR-Durchschnittswert. Daher könnte IQD dem Kunden einen ESR von 15 Ohm garantieren. Für IQD bedeutete dies aber eine geringere Ausbeute und folglich einen höheren Preis für den Kunden. Jedoch erhielte man mit einem ESR von 15 Ohm im Vergleich zu einem negativen Widerstand von 40 Ohm ein Verhältnis von 2,6, das immer noch weitaus kleiner als das Idealverhältnis von 10 wäre.

Um den Quarz-ESR zu verringern, könnten noch weitere Maßnahmen durchgeführt werden. Möglicherweise könnte der ESR noch ein wenig mehr verringert werden, indem die Größe des Quarzrohlings und der Elektrode geändert würde. Jedoch ist ein Wert von 10 Ohm bereits sehr gering, und um das Verhältnis auf einen günstigen Wert von 10 zu bringen, müsste der ESR im Bereich von 4 Ohm liegen. Selbst wenn dies praktisch wäre, wäre das Endergebnis ein speziell konstruierter Quarz, und wahrscheinlich wäre damit nur eine geringe Ausbeute möglich. Dies würde sich im Preis und in der Durchlaufzeit widerspiegeln.

Wenn der Quarz-ESR nicht verringert werden kann, scheint es, dass die einzige Möglichkeit darin besteht, den negativen Widerstand zu erhöhen. Durch eine Änderung des Werts der zum Beladen mit dem Quarz verwendeten Kondensatoren kann der negative Widerstand geändert werden. Dank einer Kombination aus Erfahrung und Experimenten wurde festgestellt, dass sich, wenn die Schaltung mit zwei 8-pF-Kondensatoren anstatt mit zwei 27-pF-Kondensatoren betrieben wird, der negative Widerstand auf 220 Ohm erhöht. Beim Vergleich mit dem ESR von 40 Ohm war zu erkennen, dass das Verhältnis nun viel günstiger ist, beträgt es jetzt doch 5,5. Der ESR des Quarzes kann dann als kleinerer Wert spezifiziert werden, etwa 20 Ohm. Jetzt beträgt das Verhältnis im schlechtesten Fall 220/20, was einen günstigen Wert von 11 ergibt, und die Schaltung ist gut und robust konstruiert.

Leider ist die Sache nicht ganz so einfach. Durch eine Verringerung der kapazitiven Last auf 4 pF plus interne Kapazität und Streukapazität ergibt sich ein Gesamtwert von ungefähr 8 bis 10 pF. Der zuvor angesprochene Trimmeffekt hat nun einen größeren Einfluss und bewirkt eine Abweichung der endgültigen Frequenz auf +335 ppm von 16,0 MHz. Dies liegt deutlich außerhalb des vom Kunden benötigten Toleranzbereichs von ±20 ppm und würde zweifellos bedeuten, dass die Schaltung nicht richtig funktionieren könnte.

Daher musste ein Kompromiss zwischen Komplexität und Preis geschlossen werden. Wie oben erklärt, wird die Resonanzfrequenz eines Quarzes durch Zugeben von Metall auf der Quarzoberfläche abgestimmt. Andere Parameter werden nicht geändert. Dem Kunden kann somit die gleiche Quarzspezifikation von 16,0 MHz angeboten werden; diese ist jedoch für eine Verwendung im Bereich von ±20 ppm abgestimmt mit Bezug auf eine Last von 8 pF anstelle der ursprünglichen Last von 18 pF.

Dass der Quarz mit einem näher bei null liegenden Lastwert verwendet wird, bedeutet, dass der tatsächliche Trimmwert nun von 17,6 ppm/pF auf 59,8 ppm/pF gestiegen ist. Daher wird wiederum ein Offset zwischen der tatsächlichen kapazitiven Last der Schaltung und der erwarteten kapazitiven Last jetzt zu einer weitaus größeren Abweichung der Frequenz führen als in der ursprünglichen Konstruktion. Ursprünglich betrug der Offset 0,5 pF, der eine Frequenzverschiebung von 8,8 ppm bei der Verwendung einer Last von 18 pF bewirkte. Jetzt, mit einer Last von 8 pF, bewirkt ein Offset von 0,5 pF eine Frequenzverschiebung von 29,9 ppm. Wie vorher bedeutet es, dass einige der Teile in einem Bereich von ±20 ppm bei 16,0 MHz praktisch nicht mehr funktionieren werden.

Glücklicherweise wurde in diesem Fall gemäß dem ursprünglichen Chipset-Datenblatt eine Frequenz im Bereich von 50ppm bei 16,0 MHz vorausgesetzt. Es ist durchaus verständlich, dass der Kunde für die Konstruktion einen Standardquarz mit einer Spezifikation von 20 ppm verwendet hat, weil es sich um einen billigen und leicht erhältlichen Quarz handelt, der die Anforderungen erfüllt. Die hier zusätzlich verfügbaren 30 ppm überstiegen den Frequenz-Offset, der von der Lastkapazitätsabweichung bewirkt wurde; also war das Problem gelöst. Anhand einiger Stichproben und weiterer Messungen wurden die theoretischen Erkenntnisse bestätigt, und die Produktionsausbeute des Kunden ließ sich erheblich verbessern, ohne dass ein größeres Neu-Design erforderlich war. Nur drei Komponenten mussten geändert werden: zwei Kondensatoren mit einem Standardwert und die Quarzspezifikation, die feinangepasst wurde. Weil die Abweichung vom Standardquarz sehr gering ausfällt, konnte IQD den Quarz zu einem erschwinglichen Preis anbieten.