Im ersten Blog „Alles über Schwingquarze“ ging es um die wichtigsten Parameter für die anwendungsspezifische Auswahl und Dimensionierung. In dieser Folge stellen wir noch weitere Kenngrößen vor, die wichtig für das Verständnis von Schwingquarzen und die Entwicklung elektronischer Oszillator-Schaltungen sind. 

Äquivalenter Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR)

Der äquivalente Serienwiderstand ist ein Maß für den elektrischen Widerstand des Quarzes in einer Serienresonanz und wird in Ohm angegeben.

Ein Quarzkristall kann im Schaltbild durch einen äquivalenten Schaltkreis repräsentiert werden, der eine Shunt-Kapazität (C0) beinhaltet. Diese liegt parallel zu einem seriellen Zweig mit einer Induktivität (L1), einer Kapazität (C1) und einem Widerstand (R1). Der Wert von R1 repräsentiert die internen Verluste im Schwingquarz, also den äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Für den normalen Einsatz kann man R1 und ESR identisch verwenden. Erst bei detaillierterer Betrachtung ergeben sich Unterschiede mit mathematischen Zusammenhängen.
 

Wichtig für Entwickler: Je kleiner der Quarz, desto höher der maximale ESR. Daher ist der ESR-Wert eines Schwingquarzes von Bedeutung beim Schaltungsdesign. Ist er zu hoch, kann die Oszillator-Schaltung möglicherweise zu wenig Verstärkung aufbringen, um die internen Verluste auszugleichen, und startet gar nicht erst.

Sogar die Form des Quarzes ist von Bedeutung: Streifenförmige Quarze haben in der Regel einen höheren ESR als die traditionell runden. Bei gleichen elektrischen Spezifikationen muss die Bauform also beim Schaltungsdesign mit einbezogen werden.

Der maximale ESR-Wert steht im Datenblatt des Bauteils, normalerweise in der Sektion elektrische Parameter.

Alterung 

Die Frequenz eines Schwingquarzes ändert sich mit der Betriebsdauer, auch dies sollten Entwickler berücksichtigen. Die Quarze altern hauptsächlich aus zwei Gründen: als Folge von Massentransfer, bedingt durch Ausgasungen aus Trägermaterial oder Versiegelung, oder aufgrund von Belastungen im Fertigungsprozess.

Diese Effekte muss der Entwickler im Auge behalten und die Quarze so dimensionieren, dass die Frequenz während des gesamten Nutzungszeitraums im Toleranzfenster bleibt. Sonst besteht die Gefahr, dass das Gerät frühzeitig ausfällt.

Drive Level

Damit bezeichnet man die Leistungsaufnahme des Quarzes, üblicherweise im Datenblatt angegeben in Milli- oder Mikro-Watt. Wird der Maximalwert überschritten, kann dies zu Einbußen bei der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer führen. 

Wieviel Leistung der Quarz aufnimmt, hängt von seiner Größe ab. Der Drive Level bei kleineren Quarzen ist niedriger. Dies sollte man beachten, wenn zum Beispiel im Rahmen eines Redesigns ein kleinerer Quarz als der zuvor verwendete eingeplant wird. Dann muss auch der Drive Level entsprechend angepasst werden.

In der nächsten Folge des Blogs erfahren sie Alles über Schwingquarze - Jitter und Phasenrauschen