GEYER Electronic – Einsatz von Schwingquarzen und Oszillatoren

Die Entscheidung, ob ein Schwingquarz oder Oszillator in der Anwendung eingesetzt wird, wird u.a. von unterschiedlichen Parametern, wie Platzbedarf, Frequenzstabilität, Bauteilkosten und Entwicklungskosten, beeinflusst.

Einsatz von Oszillatoren bei kleinen Stückzahlen oder fehlender Kapazität für das Analog-Design

Auch wenn mit dem Schwingquarz grundsätzlich selbst eine Oszillatorschaltung aufgebaut werden kann, werden Oszillatoren dennoch als Taktgeber in einfachen Anwendungen eingesetzt. Gründe hierfür sind die geforderte Frequenzstabilität, ein definiertes Anschwingverhalten und die Betriebssicherheit über den gesamten Temperaturbereich. 

Um die Schaltung an den Quarz anzupassen und sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist beim Einsatz von Quarzen ein gewisser Aufwand notwendig. Bei niedrigen Stückzahlen ist es daher ratsam, den erhöhten Entwicklungsaufwand durch den teureren Oszillator zu ersetzen. Bauteile, die zur Anpassung des Quarzes benötigt werden, fallen weg, was zudem für mehr Platz auf der Leiterplatte sorgt. Oszillatoren in SMD-Bauformen (7x5mm oder kleiner) sind relativ leicht verfügbar. Im Datenblatt von Microcontrollern werden Hinweise zum Anschluss eines externen Oszillators erläutert. 

Lediglich bei hohen Stückzahlen (wenn ein Oszillator nicht schon intern im IC auf der Baugruppe vorhanden) und wenn Platz auf der Leiterplatte vorhanden ist, macht es wirtschaftlich Sinn, den Oszillator selbst (mit einzelnen Bauelementen und einem Quarz) zu bauen.    

Einsatz von Quarzen bei hohen Stückzahlen 

Bei hohen Stückzahlen bringt der Quarz Kostenvorteile. Der Microcontroller enthält meist eine aktive Komponente, die eine Konfiguration eines Oszillators mit einem Quarz und wenigen passiven Komponenten ermöglicht. Zwar stellen IC-Hersteller Basisinformationen zur Beschaltung zur Verfügung, Details, wie beispielsweise die zulässige Quarzbelastung oder angemessene Dimensionierung der Quarz-Peripherie, werden dennoch oft außen vorgelassen.

Oberton-Quarze werden gewöhnlich ab etwa 40MHz eingesetzt. Um das Anschwingen auf dem Grundton zu unterbinden, sind schaltungstechnische Vorkehrungen erforderlich. In dem Fall sind eine sorgfältige Dimensionierung und Prüfung des Betriebsverhaltens notwendig. Diese Konfiguration kommt am häufigsten vor. In Abbildung 2 ist die prinzipielle Konfiguration linksseitig zu sehen. Diese könnte statt des Inverters auch mit einem einfachen Transistor realisiert werden, um Verstärkung und Phasenverschiebung von 180°C zu erhalten. Ein Rückkopplungs-Netzwerk sorgt für weitere 180°. Dieses besteht aus dem Quarz mit zwei Kondensatoren (C1 und C2) sowie einem Widerstand (RV). Es ergeben sich somit 360°, die die Schwingbedingung zusammen mit angemessener Verstärkung erfüllen. 

Microcontroller mit Colpitts-Oszillator 

Der Inverter für diese Pierce-Oszillatorschaltung ist bei Microcontrollern meist bereits integriert. Somit ist es möglich, einen Oszillator statt eines Quarzes an OSC1 anzuschließen und OSC2 offen zu lassen. Auch der Widerstand RV kann bereits im MC enthalten sein (z.B. als integrierter Widerstand oder als Ausgangsimpedanz des Inverters). Gleiches gilt für den hochohmigen Widerstand RGK, der den DC-Arbeitspunkt einstellt. Das frequenzrelevante Rückkopplungsnetzwerk besteht aus C1, dem Schwingquarz, C2und RV. Die Wahl von C1, C2und RV bestimmt die passende Lastkapazität für den Quarz und sorgt dafür, dass die maximal zulässige Quarzbelastung nicht überschritten wird (diese kann mit RV eingestellt werden). 

Oft werden von den Prozessoren-Herstellern bereits Widerstände am Inverterausgang integriert. Dennoch ist es ratsam, die Platzierung eines externen (zusätzlichen) Widerstands einzuplanen, wenn in den Datenblättern zu Impedanz- und Spannungs-Niveaus keine Angaben vorliegen. Nur wenn die Parameter am Ausgang des Inverters bekannt sind, kann ein optimales Phasen- und Schwingverhalten erzielt und vermieden werden, dass die zulässige Quarzbelastung überschritten wird.  

C1 und C2 gleich groß anzusetzen ist nicht sinnvoll (z.B. jeweils auf das Doppelte der Lastkapazität). Die Frequenz ist von C2 weitaus geringer beeinflusst als von C1. C2 transformiert sich mit RV bzw. der Inverter-Ausgangsimpedanz effektiv auf einen höheren Kapazitätswert. Daher kann man aus der einfachen Serienschaltungs-Formel für die Kapazitäten C1 und C2 den der spezifizierten Lastkapazität entsprechenden Wert nicht ermitteln. Vorzugsweise wählt man C2 mindestens um den Faktor 2-3 größer und C1 gleich oder nur minimal größer als die spezifizierte Lastkapazität. Das in Folge entstandene Verhältnis von C2 zu C1 ermöglicht gleichzeitig eine sinnvolle Transformation des Impedanzniveaus am Inverterausgang auf den hochohmigen Invertereingang.  

Microcontroller mit Colpitts-Oszillator 

Im Falle einer Konfiguration der MC-Anschlüsse für eine Colpitts-Schaltung (Abb. 3), gilt Ähnliches wie beim Pierce-Oszillator: Auf die Dimensionierung ist zu achten. Es könnten noch weitere Komponenten notwendig werden, z.B. eine Kapazität in Serie zum Quarz, um der Lastkapazität des Quarzes zu entsprechen. 

Das Entwicklerteam von GEYER Electronic steht hier gerne beratend zur Seite. 

Microcontroller mit nur einem Oszillator-Anschluss 

Wenn im Datenblatt des MC der Schwingquarz in Reihe zu einem Kondensator an Masse dargestellt wird (Abb. 4), kann der Lastkapazität des Quarzes durch den Wert der Serien-Kapazität C1 entsprochen werden. 

Die Anschwingreserve sollte immer überprüft werden 

Um das Anschwingen zu prüfen, wird ein SMD-Widerstand in Reihe zum Quarz manuell eingelötet. Ein Anschwingen muss auch dann gewährleistet sein, wenn der Widerstandswert um einen vorher festgelegten Faktor X höher ist als der gemäß Spezifikation maximale Resonanzwiderstand des Quarzes. (Dies ist dem Datenblatt zu entnehmen und wird mit ESRmax oder R1max dargestellt.) Der Faktor X sollte mindestens 3 im gesamten Betriebstemperaturbereich betragen, branchenspezifisch sind auch höhere Werte für X angemessen. 

Bei kleinen Stückzahlen empfiehlt es sich auch aus wirtschaftlichen Gründen Oszillatoren statt Quarze einzusetzen. Oszillatoren sind einfach anzuschließen und sicher in ihrem Betriebsverhalten. Bei größeren Stückzahlen werden häufig die kostengünstigeren Quarze an einem Microcontroller als Taktgeber verwendet. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie die erforderlichen externen passiven Bauelemente ausgewählt und bemessen werden können. Außerdem wird eine einfache Testmethode vorgestellt, um die Anschwingreserve zu überprüfen.