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Stabilität von Quarzkristallen: Wie Mythen und falsche Vorstellungen gute Werte verdecken

Posted: 30th July 2015

Im Lauf der Jahre erhielten wir zahlreiche Anfragen nach Quarzkristallen, die im Bereich von -40 °C bis +85 °C mit einer Stabilität von ±10 ppm arbeiten, trotz der Tatsache, dass nahezu alle mit unseren Kunden besprochenen Anwendungen nicht in diesem industriellen Temperaturbereich betrieben werden mussten. Es hat den Anschein, dass die vermeintlichen Ansprüche nicht der Betrachtung der Anwendung entstammten, sondern ihren Ursprung in den Datenblättern von Halbleiterherstellern hatten; die Chips werden für eine Einsatztemperatur von -40 °C bis +85 °C spezifiziert, und Referenz-Designs empfehlen daraufhin, dass Kristalle, ebenso wie andere Bauelemente, in der Lage sein sollten, diese Werte einzuhalten.

Heutzutage ist es möglich, Kristalle zu kaufen, die den beschriebenen Spezifikationen entsprechen. Diese sind jedoch wegen der Grundlagen der Kristallherstellung prohibitiv teuer, mit Ausnahme für Anwendungen mit den höchsten Ansprüchen. Lesen Sie hier, warum.

Wie wir bereits in einem früheren Blog-Eintrag beschrieben, werden große Steine in kleine Wafer geschnitten, um Kristalle herzustellen, und die Betriebsfrequenz eines Kristalls wird ausnahmslos bei 25 °C angegeben. Wir variieren die Temperaturcharakteristik des Kristalls, indem wir den Winkel, mit dem der Wafer geschnitten wird, verändern.

Die nachstehende Graphik zeigt, dass das Bestreben, eine hohe Stabilität zusammen mit einem Temperaturbereich zu erreichen, die Anzahl der Winkel einschränkt, mit denen wir den Kristall schneiden können. Wird lediglich ein enger Betriebstemperaturbereich benötigt oder wenn Sie verhältnismäßig große Frequenzänderungen über die Temperatur tolerieren können, beispielsweise ±40 ppm, dann wird der Kristallschnitt einfach. Werden indessen der Temperaturbereich erweitert oder die Anforderungen an die Stabilität verschärft, dann schränkt das die zur Wahl stehenden Schnittwinkel ein.

Stabilität von Quarzkristallen: Wie Mythen und falsche Vorstellungen gute Werte verdecken

Selbst wenn man die bestgeeigneten Schnittwinkel verwendet, wird die Ausbeute an Kristallen, die im Rahmen von ±10 ppm über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C bleiben, gering sein. Deshalb sind die Kosten dieser Kristalle verhältnismäßig hoch – sogar für viele Consumer-, kommerzielle und Internet-of-Things-(IoT-) Anwendungen prohibitiv hoch.

Sie mögen vielleicht sagen: "Ich habe billige Kristalle in Katalogen von Distributoren gesehen, die eine Stabilität von ±10 ppm im Bereich -40 °C bis +85 °C angeben." Wir haben eine Auswahl dieser Komponenten gekauft und sie ausgiebig getestet. Bis jetzt haben wir keinen einzigen Kristall gefunden, welcher der Spezifikation in vollem Umfang entspricht; manche kommen ihr nahe, doch sie liegen am unteren Ende des Temperaturbereichs immer außerhalb der ±10 ppm-Spezifikation.

Selbstverständlich haben einige Hersteller einfach nicht die Einrichtungen, um Kristalle genau zu testen, und sie verlassen sich auf die Angabe von Näherungswerten. Um diesen wichtigen Punkt unablässig zu wiederholen: Man kann einen Kristall mit einer Stabilität von ±10 ppm im Bereich -40 °C bis +85 °C kaufen, aber er wird ein relativ teures Bauelement sein und selten eines, das optimal für Ihre Applikation geeignet ist.

Wir sind seit mehr als 40 Jahren im Kristallgeschäft, und wir veröffentlichen immer nur genaue, aufrichtige Spezifikationen, die sich in gründlichen Testläufen bewährt haben.

Unser Rat ist, zunächst und in erster Linie über Ihre individuelle Anwendungen nachzudenken, anstatt sich nur auf die Referenz-Designs von Chipsatz-Herstellern zu verlassen, die typischerweise generisch und häufig ungenau sind. Danach wenden Sie sich an unser Engineering and Application Support Team, das Sie stets zum wirtschaftlichsten Kristall oder Oszillator für ihre Entwicklung führen wird. Wie das alte Sprichwort sagt: "Man braucht keinen Vorschlaghammer, um eine Nuss zu knacken."

Nebenbei bemerkt, wenn Sie daran interessiert sind, mehr über Kristalle und Resonatoren zu erfahren, dann finden Sie hier ein sehr gutes Tutorial.

Abbildungen (Right click to save)

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