Back-to-Basics – Spezifizieren von Quarzen
Posted: 5th May 2021
Heutzutage steigt der Einsatz von Taktgebern mit jedem neuen technologischen Durchbruch. Nach und nach sind immer mehr Ingenieure für die Spezifikation von Quarzparametern für ihre elektronischen Designs verantwortlich. Dies führt dazu, dass das Verständnis für Quarze immer wichtiger wird. In diesem Blog werden wir die wichtigsten Quarzparameter behandeln, die beim Design zu berücksichtigen sind.
1. Die Frequenz
Die Frequenz eines Quarzes beschreibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, mit der der Quarzblank in Schwingung versetzt wird, d.h. 10 MHz bedeutet, dass der Quarz 10.000.000 Mal pro Sekunde schwingt! Diese Frequenz ändert sich mit der Dicke des Quarzblanks. Je dünner der Blank ist, desto höher ist die Frequenz.
Die benötigte Frequenz ist im Allgemeinen anwendungsabhängig und wird in Verbindung mit dem IC betrachtet, den das Gerät verwendet, z. B. arbeiten GPS-Anwendungen typischerweise mit 26 MHz.
Insbesondere bei Systemen, die Daten austauschen müssen, muss die richtige Frequenz für den Betrieb gewählt werden. Wenn die falsche Frequenz gewählt wird, können die Systeme möglicherweise nicht miteinander "kommunizieren" oder es kommt zu Datenverlusten.
2. Das Gehäuse
In der Vergangenheit wurden quarzbasierte Produkte in der Regel in THT Metallgehäusen hergestellt. Mit dem Aufkommen von SMT wurden die Produkte jedoch immer kleiner und die Bauform änderte sich zu Gehäusen auf Keramikbasis.
Normalerweise sind Quarze in einem Standardgehäuse verfügbar. Diese reichen von 7,0 x 5,0 mm Gehäusen bis hin zu 1,2 x 1,0 mm Gehäusen. Heutzutage gibt es sogar schon Quarze, die in einem 1,0 x 0,8 mm Gehäuse untergebracht sind.
Jedoch ist zu bedenken, dass sich der Frequenzbereich bei der Verwendung von Quarzen in kleineren Gehäusen verringert. Für weitere Informationen lesen Sie bitte unseren Blog: „Finde die perfekte Größe - Überlegungen bei der Auswahl der Größe Ihrer Frequenzprodukte“.
3. Frequenztoleranz
Die Frequenztoleranz definiert die Genauigkeit bei Raumtemperatur (25 °C) und wird bei der Herstellung des Quarzes eingestellt.
Es ist wichtig, die Frequenztoleranz nicht zu niedrig zu spezifizieren, da dies zu höheren Kosten führt. Außerdem können zu niedrige Toleranzen gerade bei Quarzen mit geringer Lastkapazität nur schwer erreicht werden, da die Frequenz schon bei geringen Änderung der Lastkapazität stark schwankt.
4. Frequenzstabilität
Die Frequenzstabilität ist ein Maß dafür, wie sich die Frequenz über die Temperatur verändert. Die erzielte Stabilität variiert dabei auf Grund des Schnittwinkels, der verwendeten wird.
In Abbildung 1 ist das Frequenzverhalten über die Temperatur für verschiedene Schnittwinkel dargestellt.
Abbildung 1: Frequenzverhalten über Temperatur für verschiedene Schnittwinkel
Die Frequenzstabilität ist neben der Frequenz einer der wichtigsten Parameter. Die benötigte Stabilität hängt dabei stark von der Applikation ab. Die Performance eines elektronischen Systems wird durch den Gesamtstabilitätswert bestimmt und kann von Werten von ±100 ppm bis hinunter zu ±10 ppm reichen.
Wenn Sie eine geringere Stabilität benötigen, könnte eines unserer anderen Produkte wie der temperaturkompensierte Quarzoszillator (TCXO) oder der ofengesteuerte Quarzoszillator (OCXO) die bessere Wahl für Sie sein.
5. Betriebstemperaturbereich
Der Betriebstemperaturbereich wird in Verbindung mit der Frequenzstabilität angegeben, da die beiden Werte zusammenhängen. Der Temperaturbereich ist ebenfalls anwendungsabhängig und reicht vom kommerziellen Einsatz, z. B. bei -20 bis 70 °C, bis hin zum Einsatz im Automobilbereich bei -40 bis 125 °C.
Es ist wichtig, den Temperaturbereich oder die Stabilität nicht zu überspezifizieren, da dies Auswirkungen auf die Kosten haben kann.
Außerdem funktioniert ein Quarz, der für -20 bis 70 °C spezifiziert ist, auch in größeren Temperaturbereichen, wird jedoch nicht die gleiche Stabilität erreichen.
6. Lastkapazität
Die Lastkapazität entspricht dem Kapazitätswert, den der Quarz in der Oszillatorschaltung sehen muss, um eine optimale Frequenzgenauigkeit bei Raumtemperatur zu erreichen.
Hat die Oszillatorschaltung den falschen Kapazitätswert, wird dadurch die Frequenz verändert und im schlimmsten Fall wird sie außerhalb ihrer Toleranz liegen.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass sich die Frequenz bei Quarzen mit geringer Lastkapazität stärker ändert. Dadurch kann es schwieriger werden, sehr enge Toleranzwerte zu erreichen.
Weitere Informationen über die Lastkapazitäten, die Ziehempfindlichkeit und die Auswahl der richtigen Kondensatorwerte finden Sie in unseren Blog-Beiträgen: „Mythen rund um die Lastkapazität – wie wählt man die richtigen Kondensatoren“ und „Wie ein paar Pikofarad Ihre Genauigkeit gefährden können“.
Um die Designziele zu erreichen, müssen neben den Standardparametern eventuell noch weitere Parameter berücksichtigt werden. Dazu gehören der Serienwiderstand (ESR), die Alterung und das Drive Level.
Für weitere Informationen zu diesen zusätzlichen Werten, kontaktieren Sie bitte unser Application Support Team.