Re-Design? Challenge accepted!
Was beim Einsatz kleinerer Bauformen beachtet werden muss.
Getrieben durch das Angebot immer kleinerer, kostengünstigerer und energieeffizienterer Prozessoren steigt auch seit Jahren schon die Nachfrage nach immer kleineren und batteriebetriebenen IoT- und Wearable-Endgeräten. Ein Ende des Trends zur Miniaturisierung der Elektronik ist nicht absehbar. Im Bereich der für die meisten Systeme lebensnotwendigen frequenzgebenden Bauteile sorgt dieser Trend aktuell dafür, dass ältere und größere Bauformen langsam vom Markt verschwinden - sie sind schlichtweg nicht mehr gewinnbringend genug und „blockieren“ wertvolle Produktionskapazitäten. Die Folge: Für viele ältere Designs ist ein, meist gefürchtetes, Re-Design der Oszillatorschaltung unausweichlich. Bei Beachtung einiger wichtiger Details, muss dies aber nicht gleich zum Alptraum werden.
Die Miniaturisierung ist ein anhaltender Trend in der Elektronikindustrie. Zum einen soll die praktische Implementierung umfangreicher batteriebetriebener Anwendungen möglich werden, die trotz funktionsreicher Umgebung extrem wenig Energie erfordern. Typische Anwendungsgebiete wären hier beispielsweise die Medizintechnik, IoT-Lösungen aber auch Wearables und viele andere. Zum anderen ist die Folge, dass die immer kleineren Komponenten die älteren und größeren Bauformen vom Markt verdrängen, da mit den kleineren Bauformen ein größerer Output und dadurch mehr Gewinn erzielt werden kann. Für viele bestehende Anwendungen, bei denen noch größere Quarze zum Einsatz kommen, bedeutet dies ein Re-Design, damit auch weiterhin die Bauteilversorgung sichergestellt werden kann. Aus technischer Sicht gilt hierbei zu bedenken, dass sich die Umstellung von den größeren, häufig schon abgekündigten, Quarzbauformen auf kleinere High-Runner auch auf die Spezifikationen des Schwingquarzes auswirkt. So können sich beispielsweise der allgemein höhere ESR und der geringere Drive Level negativ auf die Funktion der Oszillatorschaltung auswirken und zu ungewünschten Komplikationen führen.
Zunächst einmal muss beim Re-Design auf kleinere Bauformen bedacht werden, dass der verfügbare Frequenzbereich umso höher liegt, je kleiner und dünner der Schwingquarz ist. Die Beziehung zwischen der Stärke des Quarzrohling (Blank) und der Resonanzfrequenz ist beim Schwingquarz umgekehrt proportional, was bedeutet, dass die Frequenz zunimmt, je dünner der Blank wird. Im Umkehrschluss wird ein stärkerer Blank benötigt, wenn eine niedrigere Frequenz erreicht werden soll. Im Gegensatz zu ihren größeren und höheren Vorgängern sind die kleineren Gehäuse flacher, wodurch die Grenzen der Physik hier schneller erreicht sind. Beispielsweise sind Frequenzen unter 16.000MHz in der Bauform 2.0x1.6mm oder unter 24.000MHz in der Bauform 1.6x1.2mm aktuell schon rein physikalisch nicht möglich.
Ebenfalls darf nicht außer Acht gelassen werden, dass bei kleineren Schwingquarzen der ESR (Equivalent Series Resistance) höher ist. Maßgebend für den ESR-Wert sind hauptsächlich die Frequenz, die Größe des Quarzes und der benötigten Elektroden sowie der Aufbau seiner Befestigung. Als allgemeine Regel gilt jedoch: Je kleiner der Quarzkristall, desto höher sein ESR-Wert (auch Lastresonanzwiderstand RL genannt).
Für die Auslegung einer stabilen Oszillatorschaltung ist der ESR-Wert einer der wesentlichen Eigenschaften, die es zu beachten gilt. Ebenso wie die benötigte Frequenz, wird auch der maximale ESR-Wert häufig vom eingesetzten Controller vorgegeben. Er wirkt sich wesentlich auf die Anschwingsicherheit (Circuit Margin) der Oszillatorschaltung aus, da er direkt in ihre Berechnung einfließt. Für ein stabiles Anschwingverhalten der Oszillatorschaltung ist eine Circuit Margin von 5 oder mehr wünschenswert, bei Automotive-Anwendungen wird häufig eine Circuit Margin von 10 gefordert.
Der negative Widerstand (R1) der Oszillatorschaltung kann durch Hinzufügen eines Potentiometers in Reihe mit dem Quarz gemessen werden (Abb. Oszillatorschaltung). Der Widerstand des Potentiometers wird dann so lange erhöht, bis der Quarz aufhört zu schwingen - dieser Widerstandswert markiert RADDmax der addiert mit dem maximalen ESR-Wert des Quarzes den negativen Widerstand ergibt.
Es ist zu erkennen, dass die Anschwingsicherheit der Oszillatorschaltung mit steigendem ESR-Wert geringer wird. Dies hat zur Folge, dass ein sicheres Anschwingen des Quarzes nicht mehr gewährleistet werden kann – ein häufiger, aber vermeidbarer Fehler, wenn größere Quarzbauformen durch kleinere ersetzt werden sollen.
Am einfachsten lässt sich die Anschwingsicherheit verbessern, indem man die beiden Kondensatoren C1 und C2 kleiner auslegt. Dies führt dazu, dass der Widerstand RADD an dem Punkt, an dem die Schwingung aufhört, höher ist, was direkt zu einer Verbesserung des negativen Widerstands und damit zu einer höheren Anschwingsicherheit führt. Das ist auch der Grund dafür, dass kleinere Schwingquarze in der Regel mit niedrigeren Lastkapazitäten angeboten werden. Beim Re-Design sollte also auch bedacht werden, dass ein Austausch der Kondensatoren erforderlich ist.
Damit der Schwingquarz innerhalb der gewünschten Spezifikationen arbeitet, ist die Auswahl der richtigen Kondensatoren C1 und C2 und die Ermittlung der geeigneten Lastkapazität für die Oszillatorschaltung von höchster Bedeutung. Berücksichtigt werden muss nämlich auch der Trimm, der bei größeren Quarzbauformen, aufgrund der Dimension des Blanks sowie der Elektroden für gewöhnlich ohnehin schon höher ist und
zudem bei Verringerung der Lastkapazität in der Oszillatorschaltung weiter zunimmt. Wird nun ein kleinerer Quarz anstelle einer älteren Bauform eingesetzt, wäre zu erwarten, dass der Trimm geringer und somit die Frequenz stabiler wird. Da aber die Lastkapazität in der Schaltung verringert werden muss, um weiter den negativen Widerstand beizubehalten und damit ebenfalls weiterhin die gewünschte Anschwingsicherheit zu gewährleisten, erhöht sich der Trimm wieder. Unterm Strich wird der Trimm bei einem Re-Design auf eine kleinere Quarzbauform also unverändert bleiben oder sogar etwas zunehmen.
Nähere Informationen zum Aufbau der Oszillatorschaltung sowie wichtige Hinweise zur Spezifikation des benötigten Schwingquarzes lassen sich in der Regel in den Datenblättern der jeweiligen Mikrocontroller finden. Unterstützung bei der Auswahl des, sowohl wirtschaftlich als auch technisch gesehen, idealen Taktgebers für Ihr System, bieten die Spezialisten der WDI AG. Ob Neu-Design oder Re-Design – schon ab dem Design-In sind wir behilflich, zeigen baugleiche Alternativen und „Second Sources“ auf und empfehlen besonders gängige Bauformen und Spezifikationen. Von der Erstbemusterung und eventuell notwendigen Schaltungsanalyse, über die Prototypen- und Vorserienbelieferung bis hin zur klassischen Distributionsdienstleistung während der Serienfertigung. Mit unserem Quarzfinder bieten wir dem Anwender ein nützliches Online-Suchwerkzeug um ihn aktiv bei der Auswahl des für ihn richtigen Quarzes, Resonators, Oszillators oder Real-Time-Clock-Moduls zu unterstützen. Unter www.quarzfinder.de sind mehr als 1.000 Produkte inklusive der dazugehörigen Datenblätter zu finden. Auf einen Blick erhält der Interessent sämtliche bei WDI erhältlichen Frequenzgeber, aufgelistet nach Spezifikationen. Neben der Möglichkeit, nach vorhandenen Spezifikationen zu filtern, wird die Produktsuche zusätzlich durch die Recherchefunktion „Cross-Reference“ erleichtert. Anhand des Anbieters oder der Produktserie werden alle bei WDI verfügbaren baugleichen Alternativen aufgezeigt.
Dieser Artikel ist im Magazin der WDI AG Ausgabe 01/22 erschienen.
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