Die Falle bei der Miniaturisierung von Quarzen

Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

In vielen Schaltungen werden noch Quarze in großen Gehäusen eingesetzt, obwohl es möglich wäre aufgrund der Verfügbarkeit kleinerer Gehäuse um einige Größen zu schrumpfen. Neben der Miniaturisierung steht auch ein möglicher Kostenvorteil im Vordergrund. Mit einer einfachen Auswahl der neuen Gehäusegröße bei gleichen Parametern wie Frequenz und Genauigkeit ist es jedoch nicht getan. Weitere Sachverhalte sind im Vorfeld zu klären damit der neue Taktgeber im späteren Design sauber anschwingt.

Der Übergang eines Quarzes auf eine kleinere Gehäusegröße resultiert in der Regel in einen höheren Resonanzwiderstand. Mit anderen Worten: Quarze in kleineren Gehäusen sind verlustbehafteter, die Dämpfung ist höher. So ist es möglich, dass mit einem kleineren Quarz die gleiche Schaltung nicht mehr (an)schwingt und die Energie des Operationsverstärkers im Schwingkreis nicht ausreicht, den höheren Resonanzwiderstand zu überwinden.

Im Falle des geplanten Einsatzes eines kleineren Quarzes empfiehlt es sich vorab die sogenannte Anschwingreserve zu ermitteln. Hierzu misst man wie hoch ein in Reihe zusätzlich geschalteter Widerstand sein darf, ohne dass die Schwingung in der aktuellen Schaltung einbricht. Der Resonanzwiderstand des neuen Quarzes darf dann den Resonanzwiderstand des bisherigen Quarzes plus den ermittelten zusätzlichen Widerstand nicht überschreiten. Der Resonanzwiderstand findet sich im Datenblatt. Ein geringerer Resonanzwiderstand kann allgemein auch mit einer Verringerung der Lastkapazitäten erreicht werden. Hier ist es hilfreich den Hersteller der Taktgeber mit ins Boot zu nehmen.

Die Forderung nach kleineren Gehäusegrößen und damit höherer Resonanzwiderstände bedeutet jedoch auch, dass die Leistung des Operations-Verstärkers im Schwingkreis höher sein muss. Das führt zu einer weiteren zu beachtenden Problematik beim Übergang auf kleinere Gehäusegrößen. Die Leistung des Operations-Verstärkers beeinflusst den sogenannten „Drive-Level“ also die anliegende Leistung am Quarz ausgedrückt in der Regel in µW. Beim Übergang auf ein kleineres Gehäuse ist der der Resonanzwiderstand höher, was wiederum einen höheren Drivelevel erfordert. Aber: Ein zu hoher Drive-Level kann die Lebensdauer eines Quarzes verkürzen. Somit ist die Messung der Anschwingreserve wie oben beschrieben und des Drivelevels sehr wichtig, um eine Entscheidung herbei zu führen, ob und wie weit ein kleinerer Quarz möglich ist. Die zu erwartende bzw. benötigte Lebensdauer des Quarzes und somit der Applikation spielt hier ein große Rolle.

Die Messung der Anschwingreserve ist eine gute Grundlage für die richtige Auswahl im Miniaturisierungsprozess bei Quarzen. Diese Messung ist relativ einfach durchzuführen. Reicht die Anschwingreserve aus, kann ein kleinerer Quarz unter Berücksichtigung des Resonanzwiderstandes ausgesucht werden.

Reicht die Anschwingreserve nicht aus, muss die geprüft werden, ob der Drive Level erhöht werden kann. Tatsächlich ist es sinnvoll bei diesem Schritt den Quarz Hersteller hinzuzuziehen, da es noch mehrere Stellschrauben gibt, um zu einer Lösung zu kommen. Der Hersteller kann mit seinem Know-How unkompliziert weitere Möglichkeiten prüfen und Empfehlungen aussprechen.

Auf Wunsch übernehmen wir das gerne für Sie. Kommen Sie auf uns zu mit einer Beschreibung der Anwendung rund um den Taktgeber und Ihren Zielvorstellungen.