Schwingquarz

Neben fast jedem Mikrocontroller sitzt ein kleines silbernes oder keramikfarbenes Bauteil mit zwei winzigen Kondensatoren daneben: der Schwingquarz. Er gibt den Takt vor, nach dem der Prozessor rechnet, die serielle Schnittstelle Bits sendet und der USB-Anschluss Daten überträgt. In jeder Armbanduhr schwingt ein noch kleinerer Quarz mit 32 768 Hz. Sein Vorteil gegenüber einem Takt aus Widerstand und Kondensator: Er hält seine Frequenz auf wenige Millionstel genau, also auf einige ppm (parts per million).

Aufbau und Funktionsweise

Ein Schwingquarz ist ein dünnes Plättchen oder eine kleine Stimmgabel aus Quarzkristall (Siliziumdioxid) mit aufgedampften Metallelektroden. Quarz ist piezoelektrisch: Eine Spannung verformt ihn, und eine Verformung erzeugt eine Spannung (siehe Thermoelektrik und Piezo-Effekt). Legst du eine Wechselspannung an, schwingt das Plättchen mechanisch. Bei seiner Eigenfrequenz ist diese Schwingung besonders stark, und der Quarz verhält sich elektrisch wie ein Schwingkreis mit außergewöhnlich hoher Güte.

Die Frequenz hängt von der Geometrie ab. Für Megahertz-Quarze schneidet man das Plättchen in einem bestimmten Winkel aus dem Kristall, meist im AT-Schnitt, und die Dicke bestimmt die Frequenz: Je dünner, desto höher. Über etwa 30 MHz würde das Plättchen zu dünn; dort nutzt man Obertonquarze, die auf einem ungeraden Vielfachen ihrer Grundfrequenz schwingen. Uhrenquarze mit 32 768 Hz sind winzige Stimmgabeln. 32 768 ist 2¹⁵, ein Zähler mit 15 Stufen teilt sie genau auf eine Sekunde herunter.

Schaltzeichen und Ersatzschaltbild

Das Schaltzeichen zeigt ein schmales Rechteck (das Kristallplättchen) zwischen zwei Platten (die Elektroden). Das Kurzzeichen ist Y, manchmal X oder Q. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Elektrisch beschreibt man den Quarz mit einem Ersatzschaltbild: Ein Reihenschwingkreis aus L₁, C₁ und R₁ bildet die mechanische Schwingung nach; parallel dazu liegt C₀, die Kapazität der Elektroden und des Gehäuses.

Die Werte sind für ein elektronisches Bauteil ungewöhnlich: C₁ liegt im Bereich von Femtofarad, L₁ bei Millihenry bis Kilohenry. Daraus ergeben sich zwei Resonanzfrequenzen dicht nebeneinander: die Serienresonanz des Reihenkreises und etwas darüber die Parallelresonanz mit C₀. Dazwischen verhält sich der Quarz induktiv, und genau in diesem schmalen Bereich arbeitet er in den üblichen Oszillatorschaltungen.

Kennwerte

Die Lastkapazität ist der wichtigste Wert für die Schaltung. Ein Quarz für Parallelresonanz ist so abgeglichen, dass er seine Nennfrequenz genau dann erreicht, wenn die Schaltung ihm diese Kapazität anbietet. Weicht sie ab, verschiebt sich die Frequenz um einige ppm pro Picofarad.

Der Temperaturgang unterscheidet sich je nach Schnitt. AT-Quarze für Megahertz folgen einer flachen S-Kurve und bleiben zwischen −20 und +70 °C meist innerhalb von ±10 bis ±30 ppm. Stimmgabelquarze folgen einer Parabel mit dem Scheitel bei etwa 25 °C: Kälter und wärmer laufen sie langsamer.

Bauformen

• HC-49/U und HC-49/S: bedrahtete Metallgehäuse, das klassische Bild eines Quarzes; 49/S ist die flache Ausführung.
• SMD-Keramikgehäuse mit vier Pads in 5 × 3,2 mm, 3,2 × 2,5 mm (3225), 2,5 × 2 mm oder 2 × 1,6 mm. Zwei der vier Pads sind die Quarzanschlüsse, die beiden anderen liegen am Deckel und kommen an Masse.
• Uhrenquarze als kleiner Zylinder mit 2 × 6 mm oder 3 × 8 mm, oder als SMD mit zwei Pads, etwa 3,2 × 1,5 mm.

Daneben gibt es den günstigeren, aber ungenaueren Keramikresonator und den fertigen Quarzoszillator, der die Verstärkerschaltung schon enthält.

Der Quarz am Mikrocontroller

Fast jeder Mikrocontroller hat einen eingebauten Oszillator für einen externen Quarz. Er ist eine Pierce-Schaltung: Ein Inverter im Chip liegt zwischen den Pins OSC_IN und OSC_OUT, der Quarz überbrückt ihn, und je ein Kondensator führt von jedem Quarzanschluss nach Masse. Ein hochohmiger Widerstand R_F parallel zum Inverter, meist schon im Chip, stellt dessen Arbeitspunkt in die Mitte, sodass er als Verstärker arbeitet.

Die beiden Kondensatoren liegen aus Sicht des Quarzes in Reihe. Dazu kommt die Streukapazität C_S der Pins und Leiterbahnen, typisch 2 bis 5 pF. Für gleiche Kondensatoren gilt:

Auswahl und Praxistipps

Prüfe im Datenblatt deines Mikrocontrollers, welcher Frequenzbereich, welcher höchste ESR und welche Lastkapazität empfohlen werden. Mikrocontroller-Hersteller empfehlen, dass die Verstärkung des Oszillators mindestens fünfmal so groß ist, wie der Quarz zum Anschwingen braucht (Gain Margin). Je größer der ESR und C₀ und je größer die Lastkapazität, desto knapper wird das. Moderne stromsparende Uhren-Oszillatoren sind oft für Quarze mit 6 oder 7 pF Lastkapazität gebaut und schwingen mit 12,5-pF-Quarzen unzuverlässig.

Häufige Fehler:

• Lastkondensatoren gleich C_L gesetzt: Die beiden Kondensatoren liegen in Reihe; sie müssen etwa doppelt so groß sein wie C_L minus Streukapazität.
• Falsches Dielektrikum: Für Lastkondensatoren nimmst du Keramik der Klasse C0G (NP0); X7R ändert die Kapazität mit Temperatur und Spannung, siehe MLCC.
• Lange Leiterbahnen: Sie erhöhen die Streukapazität, fangen Störungen ein und strahlen ab. Quarz und Kondensatoren gehören direkt an die Oszillatorpins.
• Signalleitungen unter dem Quarz: Ein schnelles Signal unter dem Quarz koppelt in den hochohmigen Oszillator ein. Halte die Fläche darunter frei oder lege eine Massefläche darunter, die nur am Mikrocontroller angebunden ist.
• Zu viel Leistung: Treibt der Oszillator einen kleinen Quarz über seinen Drive Level hinaus, altert er schneller oder springt auf einen Oberton. Ein Serienwiderstand am Ausgang OSC_OUT begrenzt die Leistung.
• Messen mit dem Tastkopf: Ein Tastkopf mit 10 bis 15 pF an einem Quarzpin verschiebt die Frequenz oder bringt den Oszillator zum Stehen. Miss am Taktausgang des Mikrocontrollers.

Selbsttest