Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte F.1 – F.4, 1 und 3
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht
Der negative Eingangswiderstand −Rneg einer Oszillatorstufe ist die aktive Energiequelle, die die Verluste im Quarz (ESR) kompensiert und die Schwingung anwachsen lässt. Der Wert von −Rneg bestimmt unmittelbar, wie zuverlässig ein Quarz anschwingt – insbesondere bei niedriger Versorgungsspannung, niedriger Temperatur und in Low-Power-MCUs, deren Oszillatorstufen aus Effizienzgründen bewusst schwach ausgelegt sind.
Dieser Post zeigt die messtechnische Ermittlung von |−Rneg| und der daraus abgeleiteten Anschwingsicherheitsreserve im realen Zielsystem. Die beschriebene Serienwiderstandsmethode ist die in der Praxis etablierte, von vielen MCU-Herstellern (ST, NXP, Infineon, Microchip, Renesas, Silicon Labs) empfohlene Prüfmethode.
Grundlage: Anschwingbedingung
Ein Pierce-Oszillator schwingt sicher an, wenn die aktive Verstärkung der Inverterstufe die Verluste im Quarzkreis überwiegt. Formal:
|−Rneg| > ESR_Quarz (Startbedingung nach Barkhausen)
Für robuste Designs wird eine Sicherheitsreserve gefordert:
|−Rneg| ≥ 5 · ESR_Quarz (Industriestandard)
|−Rneg| ≥ 10 · ESR_Quarz (Automotive / Industrie mit weitem Temperaturbereich)
Die Anschwingsicherheitsreserve wird als Verhältnis ausgedrückt:
Gain-Margin = |−Rneg| / ESR_Quarz
Messprinzip: Serienwiderstandsmethode
Die Idee ist einfach: Wenn man einen zusätzlichen Serienwiderstand Rtest in den Quarzkreis einfügt, wirkt dieser wie ein zusätzlicher Verlust. Der Oszillator schwingt nur so lange zuverlässig an, wie die Summe aus Rtest und ESR_Quarz kleiner ist als |−Rneg|.
Erhöht man Rtest schrittweise, findet man den kritischen Wert Rtest_krit, bei dem die Schwingung gerade noch anschwingt. Dann gilt:
|−Rneg| = Rtest_krit + ESR_Quarz
Das bedeutet: Mit einem einzigen präzise gemessenen Wert (Rtest_krit) und dem bekannten ESR des eingesetzten Quarzes erhält man direkt |−Rneg| der Oszillatorstufe im realen Design – inklusive aller Layout-, Temperatur- und VCC-Einflüsse.
Messaufbau
Schaltungsmodifikation
In die Leitung zwischen Quarz und einem der beiden Kapazitätsknoten (meist XOUT-seitig) wird ein Präzisionswiderstand eingefügt. Die häufigste Umsetzung:
- Pad für einen 0402- oder 0603-SMD-Widerstand in Serie zu C2 auf der Leiterplatte vorsehen (im Serienlayout meist mit 0 Ω bestückt).
- Bei bereits gefertigten Boards: Leiterbahn auftrennen und über eine kleine Drahtschleife einen Steckwiderstand einfügen.
- Alternativ ein Präzisions-Potentiometer mit bekannter Kalibrierkurve verwenden (Vorsicht: parasitäre Kapazität des Potis kann den Arbeitspunkt beeinflussen).
Equipment
- Satz Präzisionswiderstände 0402 / 0603 in engen Abstufungen: 0 / 10 / 22 / 47 / 68 / 100 / 150 / 220 / 330 / 470 / 680 / 1000 Ω, Toleranz ±1 %
- Feinlötstation und Pinzette für schnellen Tausch
- Oszilloskop mit aktivem FET-Tastkopf an XOUT (zur Kontrolle, ob die Schwingung tatsächlich angelaufen ist)
- Steuerbares Netzgerät (für VCC-Variation), optional Temperaturkammer
Durchführung
- Ausgangszustand: Rtest = 0 Ω. Schaltung einschalten, Schwingung am Oszilloskop bestätigen. Amplitude und Startzeit notieren.
- Rtest schrittweise erhöhen (z. B. 47 Ω → 100 Ω → 150 Ω → 220 Ω → …). Nach jedem Tausch: Schaltung komplett stromlos, 5 s warten, dann einschalten.
- Prüfen, ob der Oszillator anschwingt. Ja/Nein-Entscheidung anhand der Amplitude an XOUT nach 100 ms (MHz-Quarz) bzw. 2 s (32,768-kHz-Quarz).
- Mindestens 10 Einschaltvorgänge pro Rtest-Stufe durchführen – die Schwingung muss in jedem Einzelversuch zuverlässig anlaufen.
- Den höchsten Rtest-Wert notieren, bei dem die Schwingung in allen 10 Versuchen zuverlässig anläuft: Rtest_pass.
- Den niedrigsten Rtest-Wert notieren, bei dem die Schwingung nicht mehr zuverlässig anläuft: Rtest_fail.
- Rtest_krit liegt in diesem Intervall. Für präzise Werte Zwischenstufen messen (z. B. zwischen 220 Ω und 330 Ω: 240, 270, 300 Ω).
- |−Rneg| berechnen: |−Rneg| = Rtest_krit + ESR_Quarz.
Wichtige Randbedingungen: Das Einfügen von Rtest verändert geringfügig den Arbeitspunkt des Oszillators. Bei sehr niedrigem |−Rneg| kann dieser Effekt einen systematischen Fehler von 5 – 10 % verursachen. Für Relativvergleiche (z. B. Quarz A vs. Quarz B auf demselben Board) ist das unproblematisch. Die Lastkapazität ändert sich mit Rtest minimal, weil der Widerstand die Phasenbeziehung zwischen Quarz und C2 leicht verschiebt. Für die üblichen Werte Rtest < 1 kΩ ist dieser Effekt < 0,5 pF und damit vernachlässigbar. |
Charakterisierung über Temperatur und VCC
|−Rneg| ist nicht konstant, sondern sinkt mit fallender VCC und – bei vielen MCUs – mit tiefer Temperatur. Die vollständige Charakterisierung erfolgt daher über eine Messmatrix:
| Bedingung | VCC | Temperatur | |−Rneg| typ. (relativ zu +25 °C/Vnom) |
|---|---|---|---|
| Referenz | Vnom | +25 °C | 100 % |
| Kalt | Vnom | −40 °C | 70 – 90 % |
| Warm | Vnom | +85 °C | 85 – 100 % |
| Niedrige VCC | Vmin | +25 °C | 60 – 80 % |
| Worst-Case | Vmin | −40 °C | 40 – 70 % |
Die Anschwingsicherheitsreserve muss im Worst-Case (meist Vmin und −40 °C) noch den Designzielwert (Gain-Margin ≥ 5 bzw. ≥ 10) einhalten.
Rechenbeispiel
Applikation: 16 MHz Quarz, ESR_max (Datenblatt) = 40 Ω. MCU-Spezifikation: ESR_max erlaubt = 60 Ω.
Messergebnisse in der Schaltung bei +25 °C, Vnom:
| Rtest | Anschwingen in 10 von 10 Versuchen? |
|---|---|
| 220 Ω | ja |
| 270 Ω | ja |
| 300 Ω | ja |
| 330 Ω | 8 von 10 |
| 390 Ω | 2 von 10 |
| 470 Ω | 0 von 10 |
Ergebnis: Rtest_krit ≈ 300 Ω (höchster Wert mit 100 % Erfolgsquote).
|−Rneg| = 300 Ω + 40 Ω = 340 Ω
Gain-Margin = 340 / 40 = 8,5
Bewertung: Sehr komfortable Reserve bei +25 °C. Wiederholung bei −40 °C / Vmin ergab Rtest_krit = 120 Ω → |−Rneg| = 160 Ω → Gain-Margin = 4,0. Das erfüllt die industrielle Anforderung (≥ 3) und liegt knapp unter der strengen Automotive-Anforderung (≥ 5). Für Automotive-Freigabe: Quarz mit niedrigerem ESR oder höherer Frequenz einsetzen, damit auch im Worst-Case Gain-Margin ≥ 5 erreicht wird.
Zweite Methode: Impedanzmessung bei abgeschaltetem Oszillator (analytisch)
Eine analytische Alternative besteht darin, die Eingangsimpedanz des Oszillatoreingangs im aktiven Zustand, aber ohne Quarz, zu bestimmen. Dies ist nur in Laborumgebungen mit Netzwerkanalysator sinnvoll und wird in der Praxis meist nur von IC-Herstellern zur Datenblattcharakterisierung verwendet.
Für den Entwickler im Feld bleibt die Serienwiderstandsmethode die Methode der Wahl: Sie misst |−Rneg| exakt unter realen Betriebsbedingungen, inklusive aller Layout- und Umgebungseffekte.
Bewertungskriterien der Anschwingsicherheitsreserve
| Gain-Margin (|−Rneg| / ESR) | Bewertung | Einsatzempfehlung |
|---|---|---|
| < 3 | unzureichend | Design überarbeiten – niedrigeren ESR, stärkeren Oszillator oder Layout verbessern |
| 3 – 5 | akzeptabel | Industrie-Standard, kommerzielles Temperaturspektrum |
| 5 – 10 | gut | Industrie erweitert, robuste Consumer-Produkte |
| > 10 | sehr gut | Automotive, Medizintechnik, weite Temperatur- und Lebensdauerbereiche |
Maßnahmen bei zu geringer Reserve
- Quarz mit niedrigerem ESR wählen (LRT-Technologie) oder gegebenenfalls mit höherer Frequenz.
- Lastkapazität CL reduzieren (falls vom IC zugelassen) – kleinere CL ergibt meist höheres |−Rneg|, aber auch eine höhere Ziehempfindlichkeit in ppm/pF. In diesem Falle sollen C1 und C2 mit einer Toleranz von ±1% gewählt werden, insbesondere bei Wireless-Applikationen.
- Oszillator-Gain-Stufe im MCU-Register auf höhere Stufe setzen (falls konfigurierbar)
- Layout verbessern: kürzere Leitungen, dedizierte GND-Insel, keine Signale unter dem Quarz
- C1 und C2 reduzieren – verringert die kapazitive Belastung und erhöht |−Rneg| (Grenze: CL-Spezifikation muss weiter erfüllt sein)
Weiterführend
Die theoretische Herleitung des negativen Eingangswiderstands, die Barkhausen-Startbedingung und die geforderten Sicherheitsreserven sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitte F.1 bis F.4 sowie 1 und 3) ausführlich beschrieben. Dieser Post zeigt die konkrete Labormessung – die zentrale Methode, mit der Sie die Aussage des Leitfadens auf Ihrem realen Design verifizieren.
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