Praxis-Messmethoden zum Post „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ – Abschnitte D und 4
zum Lexikon-Artikel : Quarze optimal auf ICs abstimmen
Worum es geht:
Der Drive-Level ist die im Quarz umgesetzte Wirkleistung. Zu hoher Drive-Level führt zu beschleunigter Alterung, erhöhtem ESR, möglichen Rissen im Quarzplättchen und Frequenzdrift. Zu niedriger Drive-Level bedeutet unsichere Anschwingung und erhöhten Jitter. Typische Zielbereiche liegen zwischen 1 µW und 200 µW – höhere Grenzwerte von 400 – 500 µW sind nur bei robusten Resonator-Designs zulässig (z. B. PETERMANN-TECHNIK Quarzserie SMD03025/4 bis 500 µW, SMD02016/4 bis 400 µW).
Dieser Post beschreibt die zwei praxistauglichen Messverfahren zur Ermittlung des Drive-Levels in der Schaltung.
Physikalische Grundlage
Der Drive-Level entspricht der am ESR des Quarzes umgesetzten Wirkleistung:
P_Q = I_Q,rms² · ESR
Dabei ist I_Q,rms der Effektivstrom durch den Quarzkreis. Dieser Strom lässt sich zuverlässig über den Strom durch C1 oder C2 ermitteln – er ist im eingeschwungenen Zustand (abgesehen von einer kleinen Phasenverschiebung durch C0) identisch mit dem Quarzstrom.
Methode A: HF-Stromzange (empfohlen – rückwirkungsarm)
Equipment
HF-Stromzange mit Bandbreite ≥ 5× Quarzfrequenz, z. B. Tektronix CT-6 (2 GHz, 5 mA bis 1 A) oder Pearson 2877. Für kHz-Quarze: induktive Koppelschleife.
Oszilloskop ≥ 500 MHz Bandbreite, ≥ 2 GS/s
Messdrahtschleife ca. 5 mm Stück isolierter Draht, in die Zuleitung zu C1 (XIN-Seite) eingelötet
Durchführung
Unterbrechen Sie die Leitung zwischen C1 und dem IC-Pin XIN. An die Trennstelle eine kleine Drahtschleife einlöten.
HF-Stromzange um die Drahtschleife legen. Wichtig: nicht um die komplette Leitung, sondern nur um den Draht der Schleife.
Versorgungsspannung einschalten, nach 60 s Einschwingen die Stromamplitude I_peak am Oszilloskop ablesen.
I_rms aus I_peak berechnen: I_rms = I_peak / √2.
Drive-Level berechnen: P_Q = I_rms² · ESR_max (aus Quarz-Datenblatt).
Methode B: Tastkopfmessung über C1 (ohne Trennung der Leitung)
Wenn keine HF-Stromzange verfügbar ist, kann der Strom rechnerisch aus der Spannungsamplitude an C1 bestimmt werden.
Equipment
Aktiver FET-Tastkopf mit sehr niedriger Eingangskapazität (≤ 1 pF, z. B. Keysight N2795A, Teledyne LeCroy ZS1500)
Oszilloskop mit hinreichender Bandbreite (≥ 5× Quarzfrequenz)
Durchführung
Spannung an XIN bzw. am C1-Anschluss gegen GND messen: U_XIN (peak-to-peak).
Spannung an XOUT gegen GND messen: U_XOUT (peak-to-peak). Zur Orientierung: typisch ist U_XOUT deutlich größer als U_XIN.
Stromamplitude über C1 berechnen: I_peak = 2π · f · C1 · U_C1,peak.
Dabei ist U_C1 die Spannungsdifferenz zwischen XIN und GND (bei Pierce-Topologie ist der andere Anschluss von C1 geerdet). Für C2 entsprechend die Spannung an XOUT verwenden.
I_rms = I_peak / √2, dann P_Q = I_rms² · ESR_max.
Messgenauigkeit Der Tastkopf belastet den Oszillator kapazitiv. Jede zusätzliche parasitäre Kapazität an XIN verändert den Arbeitspunkt und damit auch den Drive-Level. Rechnen Sie bei Verwendung eines 1-pF-Tastkopfs mit einer Messunsicherheit von ±15 – 20 %. Für verlässliche Absolutwerte ist die HF-Stromzange (Methode A) vorzuziehen. Die Tastkopfmethode eignet sich gut zum Vergleich (Delta-Messung) zwischen Quarzvarianten auf demselben Board. |
Typische Messwerte
| Applikation | Drive-Level typ. | Bewertung |
|---|---|---|
| 32,768 kHz Uhrenquarz | 0,1 – 1 µW | Normal |
| 32,768 kHz Uhrenquarz | > 1 µW | Kritisch, Drive begrenzen |
| MHz-Quarz Low-Power-MCU | 5 – 50 µW | Normal |
| MHz-Quarz Standard-MCU | 50 – 200 µW | Normal |
| MHz-Quarz FPGA / ASIC | 100 – 300 µW | Grenzbereich (Quarz-Datenblatt prüfen) |
| LRT-Quarz SMD03025/4 | bis 500 µW | zulässig nach Datenblatt |
| LRT-Quarz SMD02016/4 | bis 400 µW | zulässig nach Datenblatt |
Absenken des Drive-Levels
Ist der gemessene Drive-Level zu hoch, stehen drei Maßnahmen zur Verfügung:
Serienwiderstand Rs zwischen XOUT und C2 einfügen (typ. 220 Ω bis 1 kΩ). Senkt den Strom und schützt den Quarz. Der IC-interne Inverter treibt den Strom dann durch Rs, wodurch die Verlustleistung teilweise in Rs statt im Quarz umgesetzt wird.
C2 vergrößern (Verhältnis C1 : C2 verschieben, z. B. C2 = 2·C1). Senkt die Spannungsamplitude am Quarz bei gleichbleibender effektiver Lastkapazität nur bedingt – nur wenn C1 entsprechend verkleinert wird.
Oszillator-Verstärkung reduzieren im MCU-Register, wenn der IC die Einstellung unterstützt (z. B. STM32 RCC-Bit, NXP OSCCAP/Drive). Vorher prüfen, ob die Verstärkung dann für den ESR noch ausreicht (siehe Post zu –Rneg).
Rechenbeispiel
Quarz: 16,000 MHz, CL = 12 pF, ESR_max = 40 Ω. Gemessen an C1 = 18 pF: U_C1,pp = 1,6 V.
U_C1,peak = 0,8 V
I_peak = 2π · 16·10⁶ · 18·10⁻¹² · 0,8 = 1,45 mA
I_rms = 1,45 / √2 = 1,02 mA
P_Q = (1,02·10⁻³)² · 40 Ω = 42 µW
Ergebnis: 42 µW liegen im normalen Bereich für einen 16-MHz-Quarz in einer Standard-MCU-Schaltung.
Weiterführend
Grundlagen und typische Drive-Level-Grenzwerte sind im Praxisleitfaden „Quarze optimal auf ICs abstimmen“ (Abschnitte D und 4) beschrieben. Dieser Post zeigt, wie der Drive-Level messtechnisch nachvollzogen und bewertet wird.
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