Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte F und F.3
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht
Der ESR (Equivalent Series Resistance) repräsentiert die mechanischen und dielektrischen Verluste des Quarzes. Er ist einer der wichtigsten Parameter für das Anschwingverhalten: Ein niedriger ESR bedeutet geringere Verluste, höhere Anschwingsicherheit, schnellere Startzeit und stabileres Schwingen über Temperatur.
MCU-Hersteller geben in ihren Datenblättern meist einen maximalen ESR an (typisch 40 – 100 Ω für MHz-Quarze, 30 – 90 kΩ für 32,768-kHz-Quarze). Liegt der reale ESR des Quarzes darüber, startet der Oszillator nicht zuverlässig.
Dieser Post zeigt, wie der ESR in Einzelstück- und Musterprüfung korrekt gemessen wird.
Messmethode A: Netzwerkanalysator (IEC 60444-5, Referenzmethode)
Die Netzwerkanalyse ist die Referenzmethode – präzise, reproduzierbar und die Grundlage aller Quarz-Datenblätter. Sie wird ausschließlich in Messlaboren eingesetzt.
Equipment
Vektor-Netzwerkanalysator (VNA), z. B. Keysight E5061B, Rohde & Schwarz ZNLE, oder spezialisierte Quarz-Messbrücke (Saunders 250C, Saunders 260)
π-Netzwerk-Fassung (Quarz-Testjig) nach IEC 60444-5 mit definierter Lastkapazität
Präzisionsreferenz und OSL-Kalibrierung bis in den Bereich der Quarzfrequenz
Vorgehen
π-Netzwerk kalibrieren: Short-Open-Load-Through (SOLT) mit Präzisionsstandards bei der Zielfrequenz.
Quarz in die Testfassung einsetzen. Die Fassung definiert eine passende Lastkapazität für die Messung.
Drive-Level auf den im Quarz-Datenblatt spezifizierten Messpegel einstellen (typ. 10 µW oder 100 µW).
Transmissionsmessung S21 durchführen, Minimum bei Serienresonanz suchen.
ESR aus Einfügedämpfung im Resonanzminimum berechnen.
ESR = 2 · R₀ · ( 10^(−|S21|/20) − 1 ) (mit R₀ = 50 Ω bei offenem π-Netzwerk)
Messmethode B: Active-Bridge / Saunders-Methode (Fertigungs- und QS-Methode)
Kommerzielle Quarzmessbrücken (Saunders, TTi) messen direkt ESR, Serienresonanzfrequenz fs, Lastresonanzfrequenz fL und Motional-Parameter L1, C1, C0. Sie werden in der Wareneingangs- und QS-Prüfung eingesetzt.
Vorteil: direkte Anzeige des ESR in Ohm, automatische Drive-Level-Regelung, Messzeit wenige Sekunden pro Quarz.
Methode C: In-Circuit-Schätzung (Feldmethode, nur zur Plausibilisierung)
Wenn nur ein Oszilloskop verfügbar ist, kann der ESR mit der Serienwiderstandsmethode indirekt eingegrenzt werden. Diese Methode wird primär für die Ermittlung der Anschwingsicherheit eingesetzt (siehe eigenen Post zu −Rneg) und liefert als Nebenergebnis eine obere Abschätzung für den ESR.
Prinzip
Ein variabler Serienwiderstand Rtest wird zwischen Quarz und einem der Kapazitätsknoten (meist XOUT-Seite) eingeschleift. Der Widerstandswert, bei dem die Schwingung gerade noch aussetzt, entspricht dem Grenzwert:
Rtest_max + ESR ≈ |−Rneg|
Ist |−Rneg| aus der Oszillator-Spezifikation bekannt, lässt sich daraus eine obere ESR-Schranke abschätzen. Für eine präzise Absolutmessung ist diese Methode nicht ausreichend.
Typische ESR-Werte
| Quarztyp | Frequenzbereich | ESR typisch | ESR max (Datenblatt) |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz Uhrenquarz Standard (je nach Gehäuseversion) | 32,768 kHz | 35 – 65 kΩ | 70 – 90 kΩ |
| 32,768 kHz Uhrenquarz LRT-Low-ESR | 32,768 kHz | 40 - 45 kΩ | 50 kΩ |
| MHz-Quarz SMD 3,2 × 2,5 mm | 8 – 50 MHz | 40 – 80 Ω | 100 Ω |
| MHz-Quarz SMD 2,0 × 1,6 mm | 16 – 54 MHz | 60 – 120 Ω | 150 Ω |
| LRT-Quarz SMD03025/4 | 8 – 60 MHz | 20 – 50 Ω | 80 Ω |
| LRT-Quarz SMD02016/4 | 16 – 60 MHz | 30 – 70 Ω | 100 Ω |
| MHz-Quarz im 5032 THT-Package | 4 – 40 MHz | 20 – 40 Ω | 60 Ω |
Bewertungsregel
Faustregel für robustes Design Wenn der MCU maximal ESR_max_IC angibt, sollte der reale ESR des eingesetzten Quarzes bei nicht mehr als 50 – 70 % dieses Wertes liegen. Beispiel: MCU-Datenblatt sagt ESR_max = 70 Ω → gewünschter Quarz-ESR 30 – 50 Ω. Damit bleibt Reserve für Temperatur- und Alterungsdrift, Bauteilstreuung und einen eventuell niedrigen |−Rneg|. |
Einfluss von Temperatur auf den ESR
Der ESR ist bei niedrigen Temperaturen höher. Bei 32,768-kHz-Quarzen kann der ESR bei −40 °C auf das 2 – 3-fache des +25 °C-Werts ansteigen. Für MHz-Quarze liegt der Temperaturkoeffizient typisch bei +10 – 20 % zwischen +25 °C und −40 °C.
Daher gilt: Die Messung und die Datenblattbewertung müssen immer den spezifizierten Temperaturbereich umfassen.
| Quarz | ESR bei +25 °C | ESR bei −40 °C (typ.) | Faktor |
|---|---|---|---|
| 32,768 kHz Standard (je nach Version) | 45 - 70 kΩ | 100 – 130 kΩ | ×2,2 – 2,9 |
| 32,768 kHz LRT-Low-ESR | 35 kΩ | 50 kΩ | ×2,0 – 2,6 |
| MHz-Standard 25 MHz | 40 Ω | 45 – 48 Ω | ×1,1 – 1,2 |
| LRT SMD03025/4, 25 MHz | 25 Ω | 28 – 30 Ω | ×1,1 – 1,2 |
Häufige Fehler bei der ESR-Messung
Messung mit falschem Drive-Level: ESR ist drive-abhängig. Immer den im Datenblatt spezifizierten Messpegel einhalten.
Fehlende Kalibrierung des π-Netzwerks: führt zu systematischen Fehlern von 20 – 50 %.
Mischung von Motional Resistance R1 und ESR: Datenblätter geben teilweise R1 (Serien-RLC-Zweig), teilweise ESR bei der Lastresonanzfrequenz an. Beide unterscheiden sich leicht (ESR ≈ R1 · (1 + C0/CL)²). Prüfen, welcher Wert gemeint ist.
In-Circuit-Messungen ohne Berücksichtigung der parasitären Leiterbahnwiderstände, die in den Pfad eingehen.
LRT-Technologie: Low-ESR as Standard
Alle von der PETERMANN-TECHNIK gelieferten Schwingquarze nutzen die exklusive LRT-Technologie (Low ESR Resonator Technology). Designbedingt haben diese Quarze über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich sehr niedrige ESR-Werte, was dem Schaltungsdesigner auch bei schwachen Oszillatorstufen in modernen Low-Power-MCUs ausreichend Anschwingreserve sichert.
Weiterführend
Die Bedeutung des ESR für das Anschwingverhalten und der Zusammenhang mit dem negativen Eingangswiderstand sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitt F und F.3) ausführlich dargestellt. Dieser Post liefert die Messpraxis und konkrete Grenzwertempfehlungen.
Sie haben Fragen zur Umsetzung?
Unsere Frequenz-Experten unterstützen Sie bei der Auswahl des passenden Quarzes, bei Messungen in Ihrer Schaltung und bei der Design-in-Begleitung bis zur Serienfreigabe.
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Telefon: +49 8191 305395 E-Mail: info@petermann-technik.de
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FAQ - Fragen und Antworten zu ESR (Equivalent Series Resistance) des Quarzes prüfen
Fragen und kurze leicht verständliche Antworten zu ESR (Equivalent Series Resistance) des Quarzes prüfen
Was ist der ESR eines Quarzes und warum ist er für das Anschwingverhalten so wichtig?
Der ESR, also Equivalent Series Resistance, beschreibt die mechanischen und dielektrischen Verluste eines Quarzes. Er zählt zu den wichtigsten Parametern für das Anschwingverhalten eines Oszillators, weil ein niedriger ESR geringere Verluste und damit eine höhere Anschwingsicherheit bedeutet. Zusätzlich verbessert ein niedriger ESR die Startzeit und sorgt für ein stabileres Schwingen über den gesamten Temperaturbereich. Überschreitet der reale ESR den vom MCU-Hersteller vorgegebenen Maximalwert, startet der Oszillator unter Umständen nicht zuverlässig. Deshalb sollte der ESR immer im Zusammenhang mit der Oszillatorschaltung und den Datenblattgrenzen bewertet werden.
Wie wird der ESR eines Quarzes mit einem Netzwerkanalysator korrekt gemessen?
Die Referenzmethode zur ESR-Messung ist die Netzwerkanalyse nach IEC 60444-5 mit einem Vektor-Netzwerkanalysator oder einer spezialisierten Quarz-Messbrücke. Dafür wird ein kalibriertes π-Netzwerk mit definierter Lastkapazität verwendet, in das der Quarz eingesetzt wird. Vor der Messung ist eine präzise SOLT-Kalibrierung bei der Zielfrequenz erforderlich, um systematische Fehler zu vermeiden. Anschließend wird der im Datenblatt spezifizierte Drive-Level eingestellt, typischerweise 10 µW oder 100 µW, und die Transmissionsmessung S21 durchgeführt. Aus der Einfügedämpfung im Resonanzminimum lässt sich der ESR reproduzierbar berechnen, was diese Methode zur Grundlage professioneller Quarz-Datenblätter macht.
Welche typischen ESR-Grenzwerte gelten für MHz-Quarze und 32,768-kHz-Quarze?
MCU-Hersteller geben in ihren Datenblättern in der Regel einen maximal zulässigen ESR für den eingesetzten Quarz an. Bei MHz-Quarzen liegen typische Grenzwerte meist im Bereich von 40 bis 100 Ohm. Für 32,768-kHz-Quarze sind deutlich höhere Werte üblich, typischerweise etwa 30 bis 90 kOhm. Entscheidend ist immer, dass der reale ESR des Quarzes unterhalb des zulässigen Maximalwerts der Oszillatorstufe bleibt. Nur dann ist ein zuverlässiges Startverhalten auch unter realen Betriebsbedingungen sichergestellt.
Kann man den ESR eines Quarzes auch ohne Netzwerkanalysator prüfen?
Wenn kein Netzwerkanalysator verfügbar ist, kann der ESR mit der Serienwiderstandsmethode indirekt eingegrenzt werden. Dabei wird ein variabler Serienwiderstand zwischen Quarz und einem Kapazitätsknoten, meist auf der XOUT-Seite, eingefügt. Der Widerstandswert, bei dem die Schwingung gerade noch aussetzt, erlaubt zusammen mit dem bekannten negativen Eingangswiderstand eine obere Abschätzung des ESR. Diese Methode dient in erster Linie zur Beurteilung der Anschwingsicherheit und nicht zur präzisen Absolutmessung. Für exakte und reproduzierbare ESR-Werte bleibt deshalb die Laborprüfung mit Netzwerkanalyse oder Quarz-Messbrücke die bessere Wahl.
Welche Fehlerquellen verfälschen die ESR-Messung von Quarzen am häufigsten?
Eine häufige Fehlerquelle ist ein falscher Drive-Level, denn der ESR ist drive-abhängig und muss immer beim im Datenblatt spezifizierten Messpegel bestimmt werden. Ebenso kritisch ist eine fehlende Kalibrierung des π-Netzwerks, da dadurch systematische Messfehler von 20 bis 50 Prozent entstehen können. Zusätzlich werden in der Praxis oft Motional Resistance R1 und ESR verwechselt, obwohl beide Werte nicht identisch sind und sich je nach C0 und Lastkapazität unterscheiden. Auch In-Circuit-Messungen ohne Berücksichtigung parasitärer Leiterbahnwiderstände führen leicht zu verfälschten Ergebnissen. Darüber hinaus muss der spezifizierte Temperaturbereich berücksichtigt werden, weil der ESR bei niedrigen Temperaturen deutlich ansteigen kann.
Warum PETERMANN-TECHNIK ESR des Quarzes prüfen?
PETERMANN-TECHNIK ist auf Quarze, Oszillatoren und frequenzbestimmende Bauelemente spezialisiert und unterstützt Kunden praxisnah bei der ESR-Bewertung. Die gelieferten Schwingquarze nutzen die exklusive LRT-Technologie, die über den gesamten spezifizierten Temperaturbereich sehr niedrige ESR-Werte ermöglicht. Das schafft zusätzliche Anschwingreserve, besonders bei modernen Low-Power-MCUs mit schwächeren Oszillatorstufen. Darüber hinaus begleiten die Frequenz-Experten Kunden bei Messungen in der realen Schaltung, bei der Bauteilauswahl und bis zur Serienfreigabe. Damit erhalten industrielle Anwender nicht nur einen Quarz, sondern eine technisch fundierte Lösung für zuverlässiges Startverhalten und stabile Funktion.
