Oszillatorschaltungen Wahl der Lastkapazität ist essentiell

Im 3,2 x 2,5 mm großen SMD-Gehäuse sitzt Epsons 25-MHz-Quarz FA-238 mit einer Frequenztoleranz von ±50 ppm und einer Lastkapazität von 12 pF.
Im 3,2 x 2,5 mm großen SMD-Gehäuse sitzt Epsons 25-MHz-Quarz FA-238 mit einer Frequenztoleranz von ±50 ppm und einer Lastkapazität von 12 pF.

Häufig wird dem Design der Oszillatorschaltung nicht die notwendige Aufmerksamkeit geschenkt, weil deren Funktionsweise und speziell deren kritische Eigenschaften nicht ausreichend bekannt sind. Selbst die recht trivial anmutende Wahl der richtigen Lastkapazität (CL) für einen Quarzoszillator ist kritischer als meist angenommen und essentiell für dessen korrekte Funktionsfähigkeit.

Das Ersatzschaltbild eines Quarzoszillators nahe der Resonanzfrequenz besteht - wie in Bild 1 dargestellt - aus einem Serienschwingkreis mit einer induktiven, einer kapazitiven und einer resistiven Komponente. Parallel hierzu befindet sich eine mit C0 bezeichnete Kapazität, die im Wesentlichen durch das Design und Gehäuse des Quarzes bestimmt wird.

Die Frequenz eines Quarzes kann »gezogen«, d.h. in gewissem Rahmen variiert werden, indem im Oszillatorschaltkreis Scheinwiderstände hinzugefügt werden. Um die hohe Güte des Schwingkreises zu erhalten, wird dies durch Zufügen von Kapazitäten erreicht. Bild 2 zeigt ein typisches Schaltbild einer Oszillatorschaltung.

Die Ziehfähigkeit eines Quarzes D berechnet sich mit Hilfe der Formel D = C1x106/2(C0+CL), wobei CL die Lastkapazität der Oszillatorschaltung ist, also die Kapazität, die der Quarz an seinen zwei Anschlüssen sieht. Hier wird fälschlicherweise häufig angenommen, dass es sich bei der Lastkapazität um eine reine Eigenschaft des Schwingquarzes handelt, wobei in Wahrheit die Lastkapazität einzig von der den Quarz umgebenden Schaltung bestimmt wird. Für den Hersteller des Schwingquarzes ist die Information über die Lastkapazität der Oszillatorschaltung wichtig, weil der Quarz auf diese Lastkapazität - z.B. durch Lasertrimmung - abgestimmt und optimiert wird, so dass bei dieser die Frequenztoleranz minimal ist.

Ein typischer MHz-Quarz (AT-Quarz) für Mobiltelefone hat eine Toleranz von ±10 ppm bei Raumtemperatur und im besten Fall eine zusätzliche Toleranz von ±10 ppm über den üblichen Betriebstemperaturbereich. Diese Werte werden bei der spezifizierten nominalen Lastkapazität CL, die sich üblicherweise im Bereich 7 bis 30 pF bewegt, erreicht.

Für Anwendungen, die eine Gesamtgenauigkeit (all causes) von z.B. ±30 oder ±50 ppm benötigen, ist es nicht unbedingt notwendig, den Quarz zu ziehen, d.h. die Frequenz individuell einzustellen, weil Quarze mit entsprechenden Toleranzen verfügbar sind. In diesem Fall können Fertigungskosten eingespart werden, weil auf aufwendige Frequenzjustagen nach der Bestückung des PCBs verzichtet werden kann.