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.
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.
- Technische Beratung anfordern
- Ihre Anwendung mit uns besprechen
- Musterquarz definieren und bestellen
- Alternative per Cross Reference anfragen
Telefon: +49 8191 305395 E-Mail: info@petermann-technik.de
Ihr Erfolg ist unser Ziel.
FAQ - Fragen und Antworten zu Start-Up-Time des Quarzoszillators messen
Fragen und kurze leicht verständliche Antworten zu Start-Up-Time des Quarzoszillators messen
Wie misst man die Start-Up-Time eines Quarzoszillators korrekt?
Die Start-Up-Time ist die Zeit vom Einschalten der Versorgungsspannung oder vom Freigeben des Oszillators bis zum Erreichen einer stabilen, nutzbaren Schwingung. In der Praxis wird sie meist als der Zeitpunkt definiert, an dem die Schwingamplitude 90 % ihres stationären Endwertes erreicht. Für eine saubere Messung werden ein Oszilloskop mit mindestens 500 MHz und 2 GS/s, ein aktiver FET-Tastkopf an XOUT sowie ein zweiter Kanal direkt an der VCC des ICs empfohlen. Getriggert wird typischerweise auf die VCC-Flanke oder auf ein GPIO-Signal, das das Einschalten des Oszillators markiert. Wichtig ist außerdem, mindestens das Dreifache der erwarteten Startzeit aufzuzeichnen, damit der komplette Einschwingvorgang sicher erfasst wird.
Welche typischen Start-Up-Zeiten haben Quarzoszillatoren in MCU-Anwendungen?
Die typische Start-Up-Time hängt stark von Frequenz, Quarztyp und Oszillatorauslegung im IC ab. Bei schnellen MCUs mit starkem Oszillator sind oft Werte unter 2 ms erreichbar, während Standarddesigns meist im Bereich von 2 bis 10 ms liegen. Deutlich länger benötigen 32,768-kHz-Uhrenquarze, bei denen typische Startzeiten von 250 bis 1000 ms auftreten können. Gerade bei Low-Power-MCUs mit häufigen Sleep- und Wake-Zyklen ist diese Zeit kritisch, weil jeder Neustart direkt die Energiebilanz und die Systemlatenz beeinflusst. Deshalb sollte die Start-Up-Time immer im Kontext der realen Anwendung und nicht nur anhand eines typischen Datenblattwertes bewertet werden.
Welche Faktoren beeinflussen die Start-Up-Time eines Quarzoszillators besonders stark?
Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören die Verstärkung des Oszillators im IC, der ESR des Quarzes und die wirksame Lastkapazität aus C1, C2 und parasitären Kapazitäten. Auch die Temperatur spielt eine große Rolle, da die Startzeit bei −40 °C oft deutlich länger ist als bei +25 °C. Zusätzlich verlängert eine niedrige Versorgungsspannung die Start-Up-Time exponentiell, insbesondere bei grenzwertiger Anschwingreserve. Ebenfalls relevant ist die Qualität der VCC-Rampe, also deren Anstiegszeit und Monotonie beim Einschalten. Für robuste Designs sollte die Charakterisierung deshalb immer über Temperatur und Spannung und nicht nur bei Nennbedingungen erfolgen.
Wie interpretiert man Plateau und Überschwingen beim Anlauf eines Quarzoszillators?
Ein Plateau im Anlauf bedeutet, dass die Amplitude zunächst nicht weiter anwächst und erst später wieder zunimmt. Dieses Verhalten deutet typischerweise auf eine grenzwertige Reserve des negativen Widerstands |−Rneg| hin und tritt häufig bei niedriger VCC oder tiefen Temperaturen auf. In solchen Fällen kann ein Quarz mit niedrigerem ESR helfen, die Anschwingreserve zu verbessern und die Startzeit zu verkürzen. Ein Überschwingen der Amplitude zeigt dagegen meist eine starke Verstärkung des Oszillators und ist in vielen Fällen unkritisch. Dennoch sollte geprüft werden, ob dabei kurzzeitig ein erhöhter Drive-Level entsteht, der bei sehr empfindlichen Quarzen langfristig Alterungseffekte begünstigen kann.
Wie lässt sich eine zu lange Start-Up-Time bei Quarzoszillatoren verbessern?
Eine wirksame Maßnahme ist die Auswahl eines Quarzes mit deutlich niedrigerem ESR, idealerweise um den Faktor 2 bis 3 unterhalb des spezifizierten Maximums. Zusätzlich kann die Lastkapazität reduziert werden, sofern dies vom MCU-Oszillator zulässig ist und die tatsächlich wirksame CL dadurch sinkt. Viele Mikrocontroller bieten außerdem Einstellungen wie High Drive oder Fast Start, mit denen sich die Gain-Stufe des Oszillators gezielt erhöhen lässt. Auch ein optimiertes Layout mit geringeren parasitären Kapazitäten trägt dazu bei, die Startbedingungen zu verbessern. Bei Uhrenquarzen in Low-Power-Anwendungen kann zudem der Einsatz von LRT-Technologie sinnvoll sein, um Startzeit und Anschwingreserve auch bei niedriger Versorgungsspannung stabil zu halten.
Warum PETERMANN-TECHNIK Start-Up-Time des Quarzoszillators messen?
PETERMANN-TECHNIK unterstützt Unternehmen bei der Auswahl des passenden Quarzes und bei der messtechnischen Bewertung direkt in der realen Schaltung. Dadurch lassen sich Start-Up-Time, Anschwingverhalten und kritische Randbedingungen wie Temperatur, VCC und Lastkapazität praxisnah beurteilen. Besonders wertvoll ist die Kombination aus Bauelemente-Know-how und Design-in-Begleitung bis zur Serienfreigabe. So werden nicht nur Messwerte erfasst, sondern auch konkrete Verbesserungsmaßnahmen für robuste und energieeffiziente Oszillator-Designs abgeleitet. Für industrielle B2B-Anwendungen ist PETERMANN-TECHNIK damit ein kompetenter Partner, wenn es um zuverlässige Frequenzlösungen und belastbare Messergebnisse geht.
