Quarze und Oszillatoren im Rampenlicht

Kleine Bauteile, große Wirkung

In der modernen Elektronik übernehmen kleine, unscheinbare Bauteile oft die stärksten Rollen. Präzise Taktgeber wie Schwingquarze und Oszillatoren sind unverzichtbare Komponenten, die – ähnlich wie eine Ameise – trotz ihrer geringen Größe eine enorme Leistung erbringen. Sie gewährleisten die Synchronisation und Stabilität in nahezu allen technologischen Anwendungen – von der Informationsverarbeitung über die Automatisierungstechnik bis hin zu hochsensiblen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt. Diese winzigen Kraftpakete sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zahlreicher Technologien. Die richtige Auswahl und Integration erfordert daher technisches Know-how und eine sorgfältige Spezifikation, um höchste Präzision und Langlebigkeit sicherzustellen.

Geschichtlicher Hintergrund

Die Geschichte der Schwingquarze und Oszillatoren ist eng mit der Entwicklung der modernen Elektronik verbunden. Die Grundlage für diese Technologie wurde bereits 1880 durch die Brüder Jacques und Pierre Curie gelegt, die das piezoelektrische Phänomen entdeckten – die Fähigkeit bestimmter Kristalle, unter mechanischer Belastung eine elektrische Spannung zu erzeugen. Diese Entdeckung bildete die Basis für die Entwicklung des ersten Kristalloszillators im Jahr 1917 durch Alexander M. Nicholson in den Bell Telephone Laboratories. Die erste praktische Anwendung eines Quarzoszillators erfolgte 1921 durch Walter Guyton Cady, der die Resonanzeigenschaften von Quarzen zur Stabilisierung von Schwingkreisen nutzte.

Die Verwendung von Schwingquarzen in der Elektronik erlebte ihren ersten großen Durchbruch in den 1920er und 1930er Jahren, als quarzbasierte Oszillatoren zur Frequenzstabilisierung in Radios eingesetzt wurden. Diese Technologie ermöglichte es erstmals, die Frequenzdrift zwischen Radiostationen zu minimieren und so eine klarere und stabilere Übertragung zu gewährleisten. Mit dem Aufkommen des digitalen Zeitalters in den 1950er Jahren stieg die Nachfrage nach Quarzoszillatoren dramatisch an, was zur Entwicklung synthetischer Quarze führte, um den steigenden Bedarf zu decken. Bis heute sind künstlich erzeugte Quarze die häufigste Basis für frequenzgebende Bauteile.

Funktionsweise von Schwingquarzen und Oszillatoren

Schwingquarze nutzen das piezoelektrische Phänomen, um mechanische Schwingungen in stabile elektrische Signale umzuwandeln. Ein Schwingquarz besteht aus einem dünnen Plättchen aus Siliziumdioxid (SiO₂), das zwischen zwei Elektroden angebracht ist. Wenn eine elektrische Spannung an die Elektroden angelegt wird, verformt sich die Kristallstruktur des Quarzes, wodurch eine Schwingung erzeugt wird. Diese Schwingung erfolgt in einer sehr stabilen und präzisen Frequenz, die von der physikalischen Geometrie des Quarzes, insbesondere von dessen Dicke und Schnittwinkel, abhängt. Schwingquarze arbeiten normalerweise im Grundmodus, bei dem die Schwingungsfrequenz der primären Resonanzfrequenz des Kristalls entspricht. Für Anwendungen, die höhere Frequenzen erfordern, können Quarze auch in Obertönen betrieben werden. Diese Obertöne sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz und erfordern spezielle Filterschaltungen, um die Grundwelle zu unterdrücken und die gewünschte Oberwellenfrequenz zu isolieren. Die Verwendung von Obertonquarzen erfordert jedoch eine sorgfältige Dimensionierung der Schaltung, um eine stabile Leistung zu gewährleisten​.

Ein zentraler Trend in der Entwicklung von Schwingquarzen ist die fortschreitende Miniaturisierung. Während früher größere Gehäuseformate wie das HC-49 SM populär waren, geht der Trend heute klar zu kleineren Gehäusegrößen. Aktuell sind 3.2x2.5 mm die weltweit am häufigsten verwendeten Gehäusegrößen, während für spezielle Anwendungen, wie in Uhren, noch kleinere Formate wie 1.2x1.0 mm zum Einsatz kommen.

Der Schwingquarz allein dient einzig zur Festlegung der verwendeten Frequenz. Um eine quarzbasierte Oszillatorschaltung aufzubauen, muss dieser entsprechend beschaltet werden. Die Schwingung wird in einer Quarzoszillatorschaltung aufrechterhalten, indem das vom sogenannten Quarzresonator aufgenommene Spannungssignal verstärkt und per Rückkopplung an den Resonator zurückgeführt wird. Der Resonator besteht aus zwei elektrisch leitenden Platten, zwischen denen sich ein Quarz-Blank befindet. Durch einen Steuerungsschaltkreis wird ein Feld erzeugt, welches den Quarz in ein instabiles Gleichgewicht bringt und somit die Oszillation in Gang setzt. Durch die positive Rückkopplung im System wird jedes Signal verstärkt und die Oszillation erhöht. Dabei wirkt der Resonator wie ein Frequenzfilter, der nur für ein sehr schmales Frequenzband um die Eigenfrequenz des Quarzes durchlässig ist.

Moderne Quarzoszillatoren zeichnen sich durch ihre geringe Größe und hohe Leistungsfähigkeit aus. Insbesondere was den geringen Jitter, enge Toleranzen und niedrigen Stromverbrauch angeht, sind sie neueren Technologien wie den MEMS-Oszillatoren noch weit voraus. Die Anwendungsgebiete reichen von industriellen Standardanwendungen bis hin zu anspruchsvollen Szenarien wie der GPS-Technologie, bei der TCXOs und OCXOs wegen ihrer hohen Stabilität und geringen Phasenrauschwerte ihren Einsatz finden.

Die richtige Wahl - Schwingquarz oder Oszillator?

Bevor die genaue Spezifikation eines Taktgebers vorgenommen werden kann, steht die grundlegende Entscheidung im Raum: Soll ein Schwingquarz oder ein Oszillator verwendet werden? Diese Entscheidung beeinflusst nicht nur die Kosten und den Energieverbrauch, sondern auch die Stabilität und Zuverlässigkeit der Schaltung.

Ein Schwingquarz ist häufig die bevorzugte Wahl, wenn es um einfache und kostengünstige Anwendungen geht, die stabile Frequenzen erfordern. Schwingquarze zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus, benötigen jedoch eine externe Beschaltung, um zu schwingen. Diese Schaltung muss sorgfältig ausgelegt werden, da die Stabilität des Frequenzsignals stark von den Umgebungsbedingungen und der Schaltung selbst abhängt. Der Einsatz von Schwingquarzen kann nicht nur bei anspruchsvollsten Schaltungen einen erheblichen Mehraufwand bedeuten und ist somit eher bei größeren Stückzahlen und ausreichend Platz auf der Leiterplatte die wirtschaftlich klügere Variante.

Im Gegensatz dazu bietet ein Oszillator eine integrierte Lösung, bei der die gesamte Schaltung, die für das Schwingen notwendig ist, bereits im Bauteil enthalten ist. Dies macht Oszillatoren zu einer robusteren Wahl, insbesondere in anspruchsvollen oder kritischen Anwendungen, wo hohe Stabilität und Zuverlässigkeit auch unter variierenden Umgebungsbedingungen erforderlich sind. Die Komplettlösung ist in nahezu allen gängigen SMD- und THT-Bauformen erhältlich und kann dem Anwender somit eine enorme Platzersparnis bieten, was gerade bei sehr kompakten Anwendungen, wie beispielsweise Wearables, ein ausschlaggebendes Argument ist. Dank der immer fortschreitenden Miniaturisierung der Halbleiterprozesstechnik findet ein kompletter Quarzoszillator heutzutage in Gehäusen mit Baugrößen bis hinunter zu 1.6x1.2mm Platz.

Wobei wir auch schon bei der Wahl der richtigen Bauform des benötigten Taktgebers sind: Es ist ratsam, bei neuen Designs keine veralteten, größeren Bauformen zu verwenden, da diese zunehmend auslaufen und abgekündigt werden. Ältere, ehemals sehr gefragte Bauformen, wie das HC-49-Gehäuse oder große SMD-Bauformen, wie das 7.0x5.0mm-Gehäuse, sind heute weniger gefragt und bieten in modernen Anwendungen kaum noch Vorteile. Die Gefahr einer Abkündigung steigt, da Hersteller zunehmend auf kompaktere und effizientere Bauformen umsteigen, die besser zu den aktuellen Anforderungen passen. Daher sollten Entwickler frühzeitig auf kleinere, zeitgemäße Bauformen ab 3.2x2.5mm und kleiner setzen, um zukünftige Risiken bei der Verfügbarkeit zu minimieren und die Langlebigkeit ihrer Designs zu sichern.

Nachdem die Wahl zwischen Schwingquarz und Oszillator getroffen wurde, müssen verschiedene Parameter festgelegt werden, um das Bauteil korrekt zu spezifizieren. Diese Spezifikationen sind entscheidend für die einwandfreie Funktion des Systems.

Beim Schwingquarz spielt dabei unter anderem die Wahl der richtigen Lastkapazität (CL) eine elementare Rolle, die oft unterschätzt wird. Die Lastkapazität ist die Kapazität, die ein Quarz benötigt, um auf seiner spezifizierten Nennfrequenz zu schwingen. Sie setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen und beinhaltet sowohl die an den beiden Anschlüssen des Schwingquarzes gegen Masse geschalteten Kondensatoren C₁ und C₂ als auch verschiedene, üblicherweise unter dem Namen C_stray (Stray Capacity) zusammengefasste, parasitäre Kapazitäten, wie beispielsweise Streukapazitäten der Leiterplatte sowie die parasitäre Kapazität des Oszillator-ICs, an welchem der Schwingquarz angeschlossen ist.

Die Auswahl der richtigen Lastkapazität ist entscheidend: Ist die Lastkapazität zu niedrig, schwingt der Quarz mit einer höheren Frequenz als vorgesehen, was zu einer Instabilität der Schaltung führen kann. Ist sie hingegen zu hoch, kann dies dazu führen, dass der Quarz nicht auf seiner gewünschten Nennfrequenz schwingt und Frequenzabweichungen von mehr als 100 ppm auftreten. Im schlimmsten Fall kann dies dazu führen, dass der Quarz unter verschiedenen Betriebsbedingungen nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Daher muss die Lastkapazität sorgfältig berechnet und an die spezifischen Anforderungen der Schaltung angepasst werden. Die korrekte Wahl der Lastkapazität erfordert nicht nur ein tiefes Verständnis der Schaltung, sondern auch eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Quarzes und der umgebenden Bauelemente.

Besonders kritisch ist auch der ESR-Wert (Equivalent Series Resistance) des Schwingquarzes, da er maßgeblich die Anschwingsicherheit einer Oszillatorschaltung beeinflusst. Der ESR-Wert ist ein Widerstand, der durch den Quarz und die ihm angeschlossenen Komponenten erzeugt wird und den Energieverlust während des Schwingens beschreibt. Er wirkt sich maßgeblich auf die Anschwingsicherheit der Oszillatorschaltung aus und sorgt im schlimmsten Falle dafür, dass ein System nicht „anläuft“.

In der Praxis zeigt sich, dass kleinere Bauformen, die aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung immer häufiger eingesetzt werden, oft höhere ESR-Werte (bei gleichbleibender Frequenz) aufweisen. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus der Tatsache, dass kleinere Quarze dünnere Kristalle verwenden, die eine höhere elektrische Dämpfung aufweisen. Ein höherer ESR-Wert reduziert die Anschwingsicherheit der Schaltung, was bedeutet, dass die Schaltung möglicherweise nicht stabil auf ihre Betriebsfrequenz einschwingt oder gar nicht erst startet. Dies stellt zusätzliche Herausforderungen an das Design-In und erfordert eine sorgfältige Auswahl der Schaltungskomponenten.

Um Probleme zu vermeiden, muss der ESR-Wert des Quarzes in Einklang mit den Anforderungen der Schaltung und den Spezifikationen des verwendeten Controllers gebracht werden. Häufig geben IC-Hersteller empfohlene ESR-Bereiche für die spezifische Schaltung vor. Es ist wichtig, den ESR-Wert zu minimieren, indem geeignete Schaltungskomponenten ausgewählt und möglicherweise die Größe der verwendeten Kondensatoren angepasst werden. Eine genaue Prüfung des ESR-Werts und seiner Auswirkungen auf die Schaltung ist daher unerlässlich, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten.

Fallstricke in Datenblättern erkennen und berücksichtigen

Oft wird die Spezifikation von Schwingquarzen und Oszillatoren durch unübersichtliche oder irreführende Datenblattangaben erschwert. Ein immer wieder auftretendes Problem ist die Verwirrung zwischen dem tatsächlichen ESR-Wert und dem dynamischen Widerstand R₁, der in vielen Datenblättern angegeben wird. Der R₁-Wert ist in der Regel deutlich niedriger als der ESR-Wert und hat in der Praxis keine Relevanz für die Berechnung der Anschwingsicherheit. Diese Verwirrung kann dazu führen, dass Anwender falsche Entscheidungen treffen und ungeeignete Bauteile auswählen, was wiederum zu Instabilität und Fehlfunktionen der Schaltung führt.

Ebenso gibt es immer wieder Fälle, in denen der Stromverbrauch eines Oszillators irreführend angegeben wird. Beispielsweise wird manchmal ein extrem niedriger Stromverbrauch angegeben, der dann jedoch – bei genauerer Betrachtung - nur „ohne Last“ gilt. In der Realität, wenn der Oszillator tatsächlich in einer Schaltung betrieben wird, kann der Stromverbrauch erheblich höher sein. Diese Art von Angaben kann zu einer Fehleinschätzung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit des Oszillators und in der Praxis zu schwerwiegenden Problemen führen, zum Beispiel in batteriebetriebenen Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch eine kritische Rolle spielt.

Ein weiteres häufiges Problem sind unterschiedliche Definitionen und Einheiten in den Datenblättern, die den direkten Vergleich zwischen Produkten verschiedener Hersteller erschweren. So kann es vorkommen, dass zwei Schwingquarze scheinbar ähnliche Spezifikationen haben, in Wirklichkeit aber unterschiedliche Frequenzstabilitäten oder Lastkapazitäten aufweisen. Entwickler müssen hier besonders wachsam sein und sicherstellen, dass sie die richtigen Parameter vergleichen, um die optimale Auswahl zu treffen.

Unterstützung bei der Auswahl des richtigen Taktgebers

Die Wahl des richtigen Schwingquarzes oder Oszillators ist eine anspruchsvolle Aufgabe, bei der viele technische Aspekte berücksichtigt werden müssen. Von der Frequenzstabilität über die Lastkapazität bis hin zur korrekten Spezifikation von ESR-Werten – der Design-In-Prozess erfordert umfassendes Fachwissen und ein tiefes Verständnis der jeweiligen Anwendung.

Gerade bei komplexen Projekten, die höchste Präzision und Zuverlässigkeit erfordern, bietet die klassische Distribution, wie die WDI AG, einen signifikanten Mehrwert. Anwender profitieren nicht nur von einem breiten Spektrum an Herstellern, sondern auch von maßgeschneiderter Beratung und technischer Unterstützung, die über den reinen Verkauf hinausgeht. Im Gegensatz zu rein digitalen Vertriebswegen ermöglicht die persönliche Betreuung durch Fachleute eine passgenaue Lösung, die exakt auf die Anforderungen des Projekts abgestimmt ist und dabei hilft, potenzielle Fehlerquellen frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der engen Zusammenarbeit mit Herstellern und dem Zugang zu weiterführenden technischen Informationen. Dies stellt sicher, dass nicht nur immer die aktuellsten Produktdaten zur Verfügung stehen, sondern auch frühzeitig über Bauteiländerungen informiert wird. Dienste wie der smartPCN-Service bieten hier zusätzliche Sicherheit. Dieser Service ermöglicht es, Produktänderungsmitteilungen (PCNs) effizient zu verwalten und neue Produkte nahtlos zu integrieren, ohne dass es zu Unterbrechungen im Design- und Fertigungsprozess kommt. Anwender behalten so jederzeit den Überblick über ihre eingesetzten Komponenten und können auf Änderungen oder Abkündigungen rechtzeitig reagieren, was besonders bei langjährigen Projekten und in sicherheitskritischen Anwendungen von großer Bedeutung ist. Langfristige Verfügbarkeit und frühzeitige Transparenz sind entscheidend, um Planungsunsicherheiten zu vermeiden und die Langlebigkeit von Produkten zu gewährleisten.

Die richtige Auswahl und Integration von Schwingquarzen und Oszillatoren ist entscheidend für die Stabilität und Leistung moderner elektronischer Systeme. Mit der passenden Unterstützung und Expertise an der Seite lassen sich auch komplexe Herausforderungen meistern – eine Voraussetzung, um in einer dynamischen und technologisch anspruchsvollen Welt stets einen Schritt voraus zu sein.