Kommt es wirklich auf die Größe an? – Auswirkung auf das Design durch die Miniaturisierung von Quarzen
Posted: 16th January 2023
Miniaturisierung, auch bekannt als Downsizing, ist ein anhaltender Trend in der Elektronikindustrie. Wearables, Smart-Home-Geräte, mobile Geräte, Elektronik in Automobilanwendungen... - dies sind nur einige Beispiele für Anwendungen, die immer kleinere Komponenten benötigen. Jeder Hersteller von elektronischen Komponenten arbeitet daran, immer kleinere Komponenten auf den Markt zu bringen. Aber diese Größenreduzierung kann verschiedene Probleme während des Design-In-Prozesses verursachen. Um einigen dieser Probleme vorzubeugen, konzentriert sich dieser Blog auf die Auswirkungen des Downsizings von Quarzen auf das Design..
Zunächst einmal lässt sich sagen, je dünner der Quarzblank, desto höher ist die Resonanzfrequenz. Bei Quarzen ist die Beziehung zwischen der Dicke des Quarzblanks und der Resonanzfrequenz umgekehrt proportional. Das bedeutet, dass die Frequenz zunimmt, wenn der Blank dünner wird. Umgekehrt bedeutet dies, dass ein dickerer Blank benötigt wird, um eine niedrigere Frequenz zu erzeugen. Da kleinere Gehäuse auch dünner sind, ist es physikalisch nicht mehr möglich, Frequenzen unter 16 MHz in einem 2,0 x 1,6 mm Gehäuse oder unter 24 MHz in einem 1,6 x 1,2 mm Gehäuse anzubieten. Dies muss beim Wechsel von einer größeren zu einer kleineren Baugröße berücksichtigt werden.
Ein weiteres Merkmal kleinerer Quarze ist, dass der Serienersatzwiderstand (eng.: Equivalent Series Resistance, kurz: ESR) höher ist. Der ESR eines Quarzes hängt von mehreren Parametern ab, wie zum Beispiel der Frequenz, den Abmaßen des Quarzblanks, der Elektrodengröße und der Anbindung des Blanks an das Gehäuse. Als allgemeine Regel gilt jedoch: Je kleiner der Quarz, desto höher der ESR. Während des Design-In muss der ESR berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass eine stabile Schwingung gewährleistet werden kann. Eine stabile Schwingung ist durch einen Sicherheitsfaktor (eng.: safety factor) von 5 oder mehr gekennzeichnet. Der Sicherheitsfaktor, oft auch negatives Widerstandsverhältnis (neg.: negative resistance ratio) genannt, ist definiert durch das Verhältnis des negativen Widerstands zum ESR. Die Formel für den Sicherheitsfaktor ist in Formel (1) zu finden.
Der negative Widerstand in der Schaltung kann durch Vorschalten eines Potentiometers in Reihe mit dem Quarz gemessen werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der Widerstand des Potentiometers wird so lange erhöht, bis der Quarz nicht mehr schwingt - diesen Widerstandswert markiert RADDmax. Mit RADDmax und dem maximalen ESR des Quarzes kann der negative Widerstand und der Sicherheitsfaktor berechnet werden.
Steigt der ESR, sinkt der Sicherheitsfaktor. Dies hat zur Folge, dass ein stabile Oszillation des Quarzes nicht mehr gewährleistet werden kann (SF ‹ 5). Dies kann in der Tat leicht passieren, wenn in einem älteren Design ein kleinerer Quarz anstelle eines größeren Quarzes verwendet wird.
Abbildung 1: Schaltplan mit RADD
Aber was kann getan werden, um den Sicherheitsfaktor zu verbessern und eine stabile Schwingung in solchen Fällen weiterhin zu gewährleisten? Der einfachste Weg, den negativen Widerstand und damit den Sicherheitsfaktor zu verbessern, ist, Ca und Cb zu senken. Werden Ca und Cb verringert, wird RADD an dem Punkt, an dem die Schwingung aufhört, höher sein. Dies führt zu einer Verbesserung des negativen Widerstands und zu einem erhöhten Sicherheitsfaktor. Aus diesem Grund sind kleinere Quarze normalerweise nur mit niedrigeren Lastkapazitäten erhältlich. Bei einem Wechsel von einem größeren Quarz zu einem kleineren Quarz sollte deshalb bedacht werden, dass dies auch eine Anpassung der Kondensatoren erforderlich macht.
Etwas anderes, das beim Verringern von Ca und Cb berücksichtigt werden muss, ist der Trimm. In einem der letzten Blogs haben wir bereits über die Lastkapazität und den Trimm im Allgemeinen gesprochen. Normalerweise lässt sich sagen, dass der Trimm bei größeren Quarzen aufgrund der Abmessungen des Blanks und der Elektroden höher ist. Außerdem erhöht sich der Trimm, wenn die Lastkapazität in einer Schaltung verringert wird. Wenn nun eine Schaltung mit einem kleineren Quarz neu designt wird, ist zu erwarten, dass der Trimm geringer ist und somit die Frequenz stabiler ist. Aber wie im obigen Abschnitt gelernt, muss die Lastkapazität in der Schaltung verringert werden, um den negativen Widerstand und den Sicherheitsfaktor beizubehalten. Dadurch wird im Umkehrschluss der Trimm steigen. Insgesamt wird der Trimm also gleich bleiben oder sogar zunehmen, wenn ein größerer Quarz durch einen kleineren Quarz ersetzt wird. Ein wichtiger Schritt beim Design-In eines kleinen Quarzes ist daher die Auswahl der richtigen Kondensatoren für Ca und Cb und die Ermittlung der richtigen Lastkapazität in der Schaltung. Nur so kann gewährleistet werden, dass der Quarz innerhalb seiner Spezifikationen schwingt.
Erfahren Sie mehr auf unserem YouTube-Kanal in unserer Präsentation "Quartz Crystal Downsizing - Does Size Really Matter?"
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