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Für viele Ingenieure spielt der Quarz beim Design der Oszillatorschaltung eine untergeordnete Rolle. Für sie ist das nur wenige Millimeter große frequenzgebende Bauteil ein Standardprodukt, das „schon funktionieren wird“. Doch so einfach ist es nicht.
Tatsächlich kann die mangelhafte Abstimmung zwischen Quarz und den übrigen Komponenten einer Oszillatorschaltung weitreichende Folgen für die Applikation haben. So leidet zum einen die Genauigkeit der vom Quarz erzeugten Frequenz. Zum anderen kann es sogar zu einem Ausfall der Applikation im Feld kommen, ausgelöst von einer zu geringen Schwingsicherheit.
Bei Jauch möchten wir unseren Kunden derartige Probleme ersparen. Aus diesem Grund führen wir auf Anfrage detaillierte Analysen von Oszillatorschaltungen durch. Diese, auch unter dem Namen „OSF-Test“ bekannte, Analyse zielt auf eine optimale Abstimmung zwischen Quarz und Oszillatorschaltung. Dabei werden die folgenden drei Parameter untersucht:
- Frequenzgenauigkeit
- Schwingsicherheit (OSF)
- Drive Level (Leistung am Quarz)
Frequenzgenauigkeit
Eine präzise Frequenz ist die wichtigste Eigenschaft eines Quarzes. Denn nur wenn der Quarz über den gesamten Anwendungszeitraum hinweg unter allen Umgebungsbedingungen eine stabile und genaue Frequenz erzeugt, kann die Anwendung zuverlässig funktionieren. Damit dies gelingt, muss die Gesamt-Lastkapazität (CL) der Oszillatorschaltung möglichst nah an der Nenn-Lastkapazität (Nenn-CL) des Quarzes liegen bzw. im Idealfall mit ihr übereinstimmen.
Dementsprechend wird bei der Schaltungsanalyse als Erstes die Gesamt-Lastkapazität (C˪) ermittelt, die der Quarz an seinen beiden Anschlüssen „sieht“. Da jede direkte Berührung der Schaltung die Messergebnisse verfälschen würde, erfolgt die Messung kontaktlos mithilfe einer Nahfeldsonde, die in geringem Abstand über der Schaltung angebracht wird. Anschließend wird der Quarz aus der Schaltung herausgelötet, um ihn mit einem Crystal Network Analyzer bei Nenn-C˪ zu vermessen.
Je größer die Abweichung des Gesamt-CL vom Nenn-CL des Quarzes, desto größer ist auch die Frequenzabweichung. Aus der Untersuchung des Quarzes im Analyzer lässt sich jedoch ableiten, welche Korrekturen an der Schaltung notwendig sind, um deren Frequenzgenauigkeit zu verbessern.
Schwingsicherheit (OSF)
Im zweiten Schritt wird die Schwingsicherheit der Oszillatorschaltung überprüft. Eine ausreichend hohe Schwingsicherheit bedeutet, dass die Schaltung unter allen denkbaren Umgebungsbedingungen sicher und schnell anschwingen kann.
Zur Ermittlung der Schwingsicherheit wird untersucht, wie hoch der Eigenwiderstand des Quarzes maximal sein darf, damit die Schaltung gerade noch anlaufen kann. Um einen solchen „Worst-Case-Quarz“ zu simulieren, wird in der Schaltung ein zusätzlicher Widerstand in Serie zum Quarz eingebaut (Fig. 1).
Aus dem Verhältnis der so ermittelten maximalen Impedanz und dem ESR,max des Quarzes ergibt sich letztlich die Schwingsicherheit, auch „Oscillation Safety Factor“ genannt.
Bei MHz-Quarzen (AT-Cut) gilt ein OSF größer als 5 für die meisten Standard-Anwendungen als ausreichend. Für sicherheitsrelevante Anwendungen, wie man sie etwa im Automotive Bereich oder in der Medizintechnik findet, wird dagegen ein OSF größer als 10 verlangt.
Bei KHz-Quarzen müssen schon OSF-Werte zwischen 3 und 5 als gut, und Werte größer 5 als sehr gut bewertet werden. Das liegt daran, dass diese Schaltungen in der Regel für sehr niedrige Leistungsaufnahmen ausgelegt sind.
Drive Level
Im letzten Schritt geht es darum, eine Überlastung des Quarzes auszuschließen. Hierzu wird ermittelt, welche Leistung auf ihn einwirkt. Zu diesem Zweck wird zunächst mithilfe einer HF-Stromzange die Stärke des Stroms gemessen, der durch den Quarz fließt (Fig. 2). Aus diesem Messergebnis und den schon ermittelten Parametern der Schaltung errechnet sich schließlich der „Drive Level“ des Quarzes. Dieser Wert darf den im Quarz-Datenblatt spezifizierten Maximalwert nicht übertreffen.
Ein Überschreiten der zulässigen Quarzleistung kann unter anderem zu Frequenzabweichungen oder im schlimmsten Fall sogar zum Ausfall des Quarzes führen.
Anpassen der Oszillatorschaltung
Eine Oszillatorschaltung, die alle drei Tests zur Zufriedenheit besteht, kann guten Gewissens in die vorgesehene Anwendung integriert werden. Offenbaren die Untersuchungen dagegen Defizite, muss die Schaltung angepasst werden. Gibt es beispielsweise Probleme in puncto Frequenzgenauigkeit, so kann u.a. eine Variation der Lastkondensatoren in der Schaltung die Differenz zwischen Schaltungs-CL und Nenn-CL des Quarzes verringern und so die Frequenzgenauigkeit verbessern. Manchmal ist es auch notwendig, den ursprünglich verbauten Quarz durch eine andere Type zu ersetzen.
Jede Veränderung der Schaltung hat zur Konsequenz, dass alle hier aufgeführten Tests erneut durchgeführt werden müssen. So wird die Suche nach der perfekten Abstimmung zwischen Quarz und Schaltung zu einer Tüftelarbeit, die einige Stunden in Anspruch nimmt. Aufgrund der geringen Größe der Bauteile, findet ein Großteil der Arbeit unter dem Mikroskop statt.
Nach Abschluss des OSF-Tests stellt Jauch seinen Kunden einen detaillierten Prüfbericht zur Verfügung. Dieser enthält alle wichtigen Messwerte und beinhaltet zudem bei Bedarf klare Handlungsempfehlungen zum Anpassen der Schaltung. So werden etwaige Probleme oft schon vor Anlaufen der Serie erkannt und vermieden.
