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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FAQ - Fragen und Antworten zu Drive-Level und Quarzstrom messen
Fragen und kurze leicht verständliche Antworten zu Drive-Level und Quarzstrom messen
Was ist der Drive-Level bei einem Quarz und warum ist er für die Schaltung so wichtig?
Der Drive-Level ist die im Quarz umgesetzte Wirkleistung und damit ein zentraler Parameter für den zuverlässigen Betrieb einer Quarzschaltung. Ist der Drive-Level zu hoch, kann dies zu beschleunigter Alterung, erhöhtem ESR, Frequenzdrift und im Extremfall zu Rissen im Quarzplättchen führen. Ist er dagegen zu niedrig, drohen unsichere Anschwingung und erhöhter Jitter. Typische Zielbereiche liegen laut Seite zwischen 1 µW und 200 µW, während höhere Grenzwerte von 400 bis 500 µW nur bei besonders robusten Resonator-Designs zulässig sind. Für die Bewertung in der Praxis wird der Drive-Level über den Quarzstrom und den maximalen ESR des Quarzes berechnet.
Wie kann man den Quarzstrom und den Drive-Level in einer Schaltung messen?
Zur Messung des Drive-Levels beschreibt die Seite zwei praxistaugliche Verfahren. Die empfohlene Methode ist die Messung mit einer HF-Stromzange, weil sie rückwirkungsarm arbeitet und den Strom durch den Quarzkreis zuverlässig erfasst. Alternativ kann der Strom rechnerisch über die Spannungsamplitude an C1 oder C2 bestimmt werden, wenn keine HF-Stromzange verfügbar ist. In beiden Fällen wird zunächst der Effektivstrom I_rms ermittelt und anschließend der Drive-Level mit P_Q = I_rms² · ESR_max berechnet. Wichtig ist, dass die Messung im eingeschwungenen Zustand erfolgt, da der Strom durch C1 oder C2 dann bis auf eine kleine Phasenverschiebung dem Quarzstrom entspricht.
Welche Messgeräte werden für die Drive-Level-Messung am Quarz benötigt?
Für die bevorzugte Messung mit HF-Stromzange wird eine Stromzange mit einer Bandbreite von mindestens dem Fünffachen der Quarzfrequenz empfohlen. Als Beispiele nennt die Seite die Tektronix CT-6 oder die Pearson 2877, für kHz-Quarze kann eine induktive Koppelschleife verwendet werden. Zusätzlich wird ein Oszilloskop mit mindestens 500 MHz Bandbreite und mindestens 2 GS/s benötigt. Für die alternative Tastkopfmessung ist ein aktiver FET-Tastkopf mit sehr niedriger Eingangskapazität von höchstens 1 pF erforderlich, damit die Schaltung möglichst wenig beeinflusst wird. Auch hier sollte das Oszilloskop eine ausreichend hohe Bandbreite von mindestens dem Fünffachen der Quarzfrequenz besitzen.
Wie berechnet man den Drive-Level eines Quarzes aus der Spannung an C1?
Wenn keine HF-Stromzange verfügbar ist, kann der Quarzstrom aus der Spannungsamplitude an C1 berechnet werden. Dazu wird die Spannung an XIN beziehungsweise am C1-Anschluss gegen GND als Peak-to-Peak-Wert gemessen und in die Spitzenspannung U_C1,peak umgerechnet. Mit der Formel I_peak = 2π · f · C1 · U_C1,peak lässt sich daraus die Stromamplitude bestimmen. Anschließend wird der Effektivstrom mit I_rms = I_peak / √2 berechnet und daraus der Drive-Level mit P_Q = I_rms² · ESR_max ermittelt. Das auf der Seite gezeigte Beispiel mit 16,000 MHz, C1 = 18 pF und U_C1,pp = 1,6 V ergibt einen Drive-Level von 42 µW und liegt damit im normalen Bereich.
Was kann man tun, wenn der gemessene Drive-Level eines Quarzes zu hoch ist?
Ist der gemessene Drive-Level zu hoch, nennt die Seite drei konkrete Maßnahmen zur Absenkung. Eine bewährte Lösung ist ein Serienwiderstand Rs zwischen XOUT und C2, typischerweise im Bereich von 220 Ω bis 1 kΩ, der den Strom reduziert und den Quarz schützt. Außerdem kann C2 vergrößert und das Verhältnis von C1 zu C2 angepasst werden, wobei dies nur begrenzt wirkt und meist eine entsprechende Verkleinerung von C1 erfordert. Wenn der eingesetzte IC diese Funktion unterstützt, kann auch die Oszillator-Verstärkung im MCU-Register reduziert werden. Vor einer solchen Anpassung sollte jedoch geprüft werden, ob die verbleibende Verstärkung für den ESR des Quarzes noch ausreicht.
Warum PETERMANN-TECHNIK Drive-Level und Quarzstrom messen?
PETERMANN-TECHNIK verbindet fundiertes Know-how in der Frequenztechnik mit praxisnaher Unterstützung bei der Messung und Bewertung von Drive-Level und Quarzstrom. Das Unternehmen zeigt nicht nur die physikalischen Grundlagen, sondern auch direkt umsetzbare Messverfahren für reale Schaltungen mit Quarzen und MCUs. Besonders wertvoll ist die Kombination aus Bauteilkompetenz, Applikationswissen und konkreter Design-in-Begleitung bis zur Serienfreigabe. Auch bei der Auswahl geeigneter Quarze und robuster Resonator-Designs stehen die Frequenz-Experten beratend zur Seite. Damit erhalten industrielle Kunden eine technisch belastbare und anwendungsorientierte Unterstützung für zuverlässige Oszillatorschaltungen.
