Challenge Accepted

Der richtige Schwingquarz für IoT- und Wearable-Anwendungen

Seit der Entwicklung des ersten Quarzoszillators durch Walter Guyton Cady im Jahre 1921 bilden frequenzgebende Bauteile das Herzstück vieler elektronischer Systeme und mit der immer weiter fortschreitenden Technologisierung kommen nahezu täglich weitere Anwendungen hinzu. Mit der kontinuierlichen Miniaturisierung elektronischer Bauelemente und Prozessoren wächst nun auch seit Jahren der Markt für IoT- und Wearable-Anwendungen nahezu explosionsartig an. Es wird erwartet, dass bereits bis 2020 mehr als 31 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz sein werden. Die besonderen Anforderungen dieser Anwendungen stellen aber auch die Hersteller der für die meisten Systeme lebensnotwendigen frequenzgebenden Bauteile vor eine große Herausforderung.

Wenn eine stabile Referenz mit geringem Stromverbrauch benötigt wird, sind Oszillatorschaltungen mit einem 32.768 kHz-Schwingquarz die beste Wahl. Oszillatorschaltungen mit AT-Cut-Quarzen im Megahertz-Bereich würden zwar eine bessere Temperaturstabilität bieten, benötigen jedoch einen signifikant höheren Strom, weswegen auch die Applikationshinweise von Mikrocontrollern und SoCs meist die Verwendung von 32 kHz-Quarzen empfehlen. Vorwiegend basiert das integrierte Taktsystem bei diesen niedrigen Frequenzen auf der weltbekannten Pierce-Oszillatorkonfiguration (siehe Abb. 2). Um hierbei einen stabilen Betrieb über den kompletten Temperaturbereich sicherzustellen, müssen im Vorfeld einige Parameter überprüft und beachtet werden.

Besonders wichtig für die Entwicklung einer niederfrequenten Oszillatorschaltung sind ein sicheres Anschwingverhalten bei der kleinsten zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung und über den gesamten Temperaturbereich sowie eine äußerst präzise Frequenz. Darüber hinaus sollten eine möglichst kurze Anschwingzeit, niedriger Stromverbrauch und eine gute Frequenzstabilität angestrebt werden. Die Ausgangsfrequenz ist abhängig von der Lastkapazität des Quarzes und wird zusätzlich durch die Streukapazität der Leitungen und die parasitären Kapazitäten des IC beeinflusst.

Die parasitären Kapazitäten setzen sich aus den Streukapazitäten über die Verbindungsleitungen, sowie den Chip-Ein- und -Ausgangskapazitäten zusammen. Die Lastkapazität am Verstärker ist bestimmt durch:

Die nominale Frequenz wird erreicht, wenn die Lastkapazitäten der Schaltung und die des Quarzes gleich groß sind, also C_{L_OSC} = C_{L_XTAL} ist.

Marktübliche Standard-Lastkapazitäten sind typischerweise 6 pF, 7 pF, 9 pF und 12.5 pF. Bestenfalls wird das Layout so optimiert, dass die Oszillatorschaltung mit dem Schwingquarz unmittelbar neben dem Mikrocontroller platziert wird. Dadurch minimiert man die Streukapazität und verkleinert die Antennenwirkung – und somit auch die Störanfälligkeit.

Der Einfluss des ESR-Wertes auf die Frequenzsensitivität

Zu beachten ist, dass der ESR-Wert einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Frequenzsensitivität hat. Da die Erfahrung zeigt, dass nicht alle Pierce-Oszillatorschaltungen auf die Anwendung mit modernsten kleinen Quarzbauformen ausgelegt wurden, ist es angebracht, die externen Einflüsse wie Temperatur- und Spannungsverhalten mit einzubeziehen. Die Ringverstärkung der Oszillatoren reduziert sich typischerweise bei Temperaturen von über 50 °C und mit kleiner werdender Versorgungsspannung.

Um die angestrebte Anschwingsicherheit sicherzustellen, sollte ein Widerstand mit dem vierfachen des ESR in Serie geschaltet werden. Hierdurch lassen sich auch die Produkttoleranzen der Schwingquarze, der mit höheren Temperaturen steigende ESR sowie die mit höheren Temperaturen sinkende Verstärkung kompensieren. Ist das Ergebnis mit einem Standardschwingquarz nicht zufriedenstellend, sollte ein Low-ESR-Schwingquarz eingesetzt werden.

Der Einfluss von ESR und C1 auf Ziehfähigkeit der Frequenz

Durch die physikalischen Eigenschaften des Stimmgabelquarzes besteht eine Abhängigkeit zwischen dem ESR-Wert und der Motional Kapazität C1. Durch Vergrößern von C1 kann ein niedrigerer ESR-Wert erreicht werden, was wiederum eine höhere Anschwingsicherheit sowie einen größeren Ziehbereich – bedingt durch den höheren C1-Wert – begünstigt. Toleranzen der Lastkapazität können dann zu größeren Frequenzabweichungen führen.

Standardquarz oder Low-ESR?

Wenn die elektrischen Spezifikationen eines Standardquarzes Ihrer Anwendung genügend Anschwingsicherheit bieten und eine bessere Jitter-Performance benötigt wird, ist ein Schwingquarz mit Standard-ESR-Wert mit Sicherheit die richtige Wahl. Gleichzeitig lassen sich mit Standardquarzen oftmals nicht unerhebliche Kostenvorteile erzielen.

Low-ESR-Quarze hingegen sollten unbedingt zum Einsatz kommen, wenn die Anschwingsicherheit beim Test eines Standardquarzes nicht zufriedenstellend war und eine kürzere Anschwingzeit oder ein batterieschonender Stromverbrauch erreicht werden sollen. Auch beim Re-Design oder dem Ersetzen von älteren und großen Quarzen bietet es sich an, auf Schwingquarze mit niedrigem ESR-Wert zu setzen, da diese meist bauformbedingt schon einen niedrigeren ESR-Wert mit sich bringen.

Unterstützung bei der Auswahl der richtigen Lösung für Ihre Anwendung erhalten Sie bei den Experten der WDI AG. Sie begleiten die Entwicklung von Anfang an und führen den Anwender schon beim Design-In zielsicher zum richtigen Produkt.