Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte E und 4
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht:
Die Start-Up-Time ist die Zeitspanne vom Einschalten der Versorgungsspannung (bzw. vom Freigeben des Oszillators im MCU) bis zum Erreichen einer stabilen, nutzbaren Schwingung. Sie ist besonders bei Low-Power-MCUs mit häufigen Sleep-/Wake-Zyklen kritisch, weil jeder Startvorgang direkt in die Energiebilanz eingeht und die Gesamtlatenz bestimmt.
Typische Anforderungen: < 2 ms bei schnellen MCUs mit starkem Oszillator, 2 – 10 ms bei Standarddesigns, 250 – 1000 ms bei 32,768-kHz-Uhrenquarzen.
Einflussgrößen
- Verstärkung des Oszillators im IC (|−Rneg|)
- ESR des Quarzes
- Lastkapazität CL bzw. tatsächlich wirksame C1, C2 und Cpar
- Temperatur (−40 °C deutlich länger als +25 °C)
- Versorgungsspannung (niedrige VCC verlängert Startzeit exponentiell)
- Qualität der VCC-Rampe (Anstiegszeit, Monotonie)
Definition der Start-Up-Time
Die Start-Up-Time wird üblicherweise als der Zeitpunkt definiert, an dem die Schwingamplitude 90 % ihres stationären Endwertes erreicht. Einige MCU-Hersteller definieren sie abweichend als Erreichen der digitalen Logikpegel oder als Freigabe des XOSC-Ready-Flags.
| Definition | Messpunkt | Typisch verwendet von |
|---|---|---|
| 90 %-Kriterium | Oszilloskop an XOUT | Quarzhersteller, Laborpraxis |
| 95 %-Kriterium | Oszilloskop an XOUT | Strenge Automotive-Spec |
| Logikpegel an Ausgang | Taktausgang / GPIO | MCU-Datenblatt |
| XOSC-Ready-Flag | Statusregister / GPIO-Toggle | MCU-Firmware-Sicht |
Messaufbau
Equipment
- Oszilloskop ≥ 500 MHz, ≥ 2 GS/s, tiefe Speichertiefe (≥ 1 MPt)
- Aktiver FET-Tastkopf an XOUT (niedrige Eingangskapazität, ≤ 1 pF)
- Zweiter Kanal auf VCC (direkt am Versorgungs-Pin des ICs)
- Optional: dritter Kanal auf einem GPIO, der vom MCU-Startup-Code getoggelt wird (z. B. für XOSC-Ready-Flag)
- Messspitze mit kurzem Massebezug (< 5 mm), um Masseinduktivität zu minimieren
Durchführung
- Triggerung: Flanke auf VCC (z. B. bei 50 % von Vnom) oder auf dem GPIO, der das Einschalten des Oszillators markiert.
- Zeitbasis auf den erwarteten Startbereich setzen – für MHz-Quarze typisch 0,2 ms/div (Gesamtfenster 2 ms), für 32,768-kHz-Quarze typisch 50 ms/div.
- Aufzeichnung mindestens des 3-fachen der erwarteten Startzeit, um den Einschwingvorgang komplett zu erfassen.
- Auswertung: Einhüllende der XOUT-Schwingung bestimmen. t_start ist der Zeitpunkt, bei dem 90 % der stationären Amplitude erreicht sind.
- Für Serienbewertung: 10 – 30 Einzelstarts aufzeichnen (Persistenzmodus) und die längste Startzeit als Worst-Case werten.
Wichtig beim Triggern Triggern Sie nicht auf die Schwingung selbst. Der Oszillator beginnt aus dem Rauschen heraus, und auf einer beliebigen Flanke der anwachsenden Amplitude zu triggern verfälscht die Startzeit systematisch. Trigger immer auf das externe Ereignis: VCC-Flanke oder GPIO-Pulse des MCU-Startup-Codes. |
Start-Up-Time über Temperatur und Spannung charakterisieren
Eine einmalige Messung bei +25 °C und Nennspannung ist unzureichend. Für robuste Designs wird folgende Matrix empfohlen:
| Temperatur | VCC | Messung | Akzeptanz |
|---|---|---|---|
| +25 °C | Vnom | Referenz | Basiswert |
| −40 °C | Vnom | Kälte | < 3× Basiswert |
| +85 °C | Vnom | Wärme | < 1,5× Basiswert |
| +25 °C | Vmin (−10 %) | Grenzspannung | < 2× Basiswert |
| −40 °C | Vmin | Worst-Case-Kombination | < 5× Basiswert |
| +25 °C | VCC-Rampe langsam (5 ms) | Monotoniecheck | Schwingung startet sicher an |
Interpretation der Einhüllenden
Die Hüllkurve der anlaufenden Schwingung folgt im Normalfall einer Exponentialfunktion:
U(t) = U_rausch · exp( t / τ ) mit τ = 2·L1 / (|−Rneg| − ESR)
Zwei Auffälligkeiten liefern wertvolle Hinweise:
Plateau im Anlauf (Amplitude wächst nicht weiter, dann plötzlich doch): Deutet auf grenzwertige |−Rneg|-Reserve hin. Häufig bei tiefen Temperaturen oder niedriger VCC. Gegenmaßnahme: Quarz mit niedrigerem ESR.
Überschwingen der Amplitude (stationärer Wert wird kurzzeitig überschritten): Zeigt starke Verstärkung, meist unkritisch. Kann aber mit kurzzeitig erhöhtem Drive-Level einhergehen – bei sehr empfindlichen Quarzen auf Alterungseffekte prüfen.
Typische Messwerte
| Quarztyp | Oszillator | t_start (90 %) typ. |
|---|---|---|
| MHz Standard-SMD | Starker MCU-OSC | 0,3 – 1,5 ms |
| MHz Standard-SMD | Low-Power-MCU | 1 – 5 ms |
| MHz LRT-Quarz niedriger ESR | Low-Power-MCU | 0,5 – 2 ms |
| 32,768 kHz Uhrenquarz | RTC-Oszillator | 250 – 800 ms |
| 32,768 kHz Uhrenquarz, CL = 4 pF | Low-Power RTC | 500 – 1500 ms |
Verbesserungsmaßnahmen bei zu langer Startzeit
- Quarz mit deutlich niedrigerem ESR wählen (Faktor 2 – 3 gegenüber Spezifikationsmaximum)
- Lastkapazität reduzieren, sofern vom MCU zugelassen (C1/C2 und damit CL_eff absenken)
- Oszillator-Gain-Stufe im MCU auf „High Drive“ / „Fast Start“ konfigurieren
- Layout-Parasitäten verringern (siehe Post zu parasitären Kapazitäten)
- Für Uhrenquarze: in Low-Power-Anwendungen LRT-Technologie bevorzugen, um Startzeit und Anschwingreserve auch bei niedriger VCC sicher zu halten
Weiterführend
Die Zusammenhänge zwischen Startzeit, ESR, Verstärkung und Temperatur sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitte E und 4) beschrieben. Dieser Post liefert die Messpraxis dazu – von der Trigger-Strategie bis zur Temperaturcharakterisierung.
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