Schwingquarze haben hochpräzise Armbanduhren für jedermann erschwinglich gemacht und werden als verlässliche Zeitbasis immer wichtiger, sogar zur Positionsbestimmung per GPS. In diesem Blog geht es um ihre wichtigsten Parameter.

Frequenz

Wie in der Physik üblich, wird auch bei Schwingquarzen die Frequenz in Hertz [Hz] angegeben, also in Schwingungen pro Sekunde. Ein 10-MHz-Quarz zum Beispiel vibriert 10.000.000-mal pro Sekunde. Dabei gilt: Je dünner das Quarzplättchen ist, desto höher die Frequenz.

Welche Frequenz der Quarz liefern muss, hängt von der jeweiligen Anwendung ab und vom Schaltkreis, in dem der Quarz eingesetzt wird. GPS-Applikationen beispielsweise arbeiten typischerweise mit einer Taktfrequenz von 26 MHz.

Besonders wichtig ist die stabile Frequenz bei Systemen, die Daten miteinander austauschen. Wird hier die falsche Taktung gewählt, kann es zu Datenverlusten oder Verbindungsabbrüchen kommen.

Gehäuse, Formfaktor

Früher wurden Schwingquarze nur in den bekannten Metallgehäusen angeboten, die über zwei Anschlussdrähte und Löcher in der Platine montiert und verlötet werden. Mit dem Aufkommen der Oberflächenmontage (SMT) wurden die Gehäuse kleiner und sind nun meist aus Keramik.

Verwendet werden normalerweise Gehäuse nach Industriestandard. Ihre „Größe“ reicht von 7,0 x 5,0 mm2 bis 1,2 x 1,0 mm2. Neuerdings gibt es sogar Minigehäuse im Format 1,0 x 0,8 mm2.

Frequenztoleranz

Dieser Wert gibt an, inwieweit der Schwingquarz bei Raumtemperatur von der Nennfrequenz abweicht.
Weniger ist dabei nicht automatisch mehr: Wer Bauteile mit einer niedrigen Frequenztoleranz wählt als erforderlich, treibt nur unnötig die Kosten in die Höhe. 

Frequenzstabilität

Darunter versteht man die Frequenzänderung über den Temperaturbereich. Diese ist abhängig vom Schnittwinkel des verwendeten Quarzblanks. 
 

Die Frequenzstabilität ist neben der Nominalfrequenz einer der wichtigsten und anwendungsspezifischsten Parameter. Die Werte hängen dabei vom gewählten Temperaturbereich ab und können von ±100 ppm bis zu ±10 ppm (parts per million) reichen.

Wer eine noch bessere Frequenzstabilität erreichen will, sollte temperaturkompensierte Oszillatoren einsetzen, die auch mit eigenem „Ofen“ erhältlich sind (temperature compensated crystal oscillator, TCXO, oder oven controlled crystal oscillator OCXO).

Betriebstemperaturbereich

Dieser Wert wird zusammen mit der Frequenzstabilität spezifiziert, da diese beiden Parameter zueinander in Beziehung stehen. Der Temperaturbereich hängt ebenfalls von der Anwendung ab. Üblich sind Werte von -40 bis +85 °C bei normalen kommerziellen Geräten, oder -40 bis +125 °C im Automobilsektor.

Wieder gilt: Je größer der Temperaturbereich und je genauer die Frequenzstabilität, desto teurer das Bauteil. Wer hier zu pingelig spezifiziert, verursacht nur unnötige Kosten. Ein von -20 bis +70 °C spezifizierter Schwingkristall funktioniert auch außerhalb dieses Temperaturfensters, erreicht aber nicht mehr die angegebene Frequenzstabilität.

Lastkapazität

Dieser Wert gibt an, wie hoch die Kapazität in der Oszillatorschaltung sein muss, um eine optimale Genauigkeit der Frequenz bei Raumtemperatur zu erreichen.

Eine falsch dimensionierte Kapazität führt zu Frequenzabweichungen, die im schlimmsten Fall sogar außerhalb des Toleranzbereichs liegen. Niedrige Lastkapazitäten machen den Schwingquarz labiler, sie führen also zu stärkeren Frequenzabweichungen bei falscher Dimensionierung. Es wird damit schwieriger, die nominale Frequenzgenauigkeit zu erreichen.

Neben diesen Standardwerten gilt es oft, noch weitere Parameter zu beachten, zum Beispiel die Alterung, den äquivalenten Serienwiderstand (equivalent series resistance, ESR) oder das Drive Level. Wer mehr darüber erfahren will, Wir empfehlen unseren kommenden Blog:
Alles über Schwingquarze: wichtige zusätzliche Parameter