{"id":2414,"date":"2022-09-15T09:46:42","date_gmt":"2022-09-15T07:46:42","guid":{"rendered":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/?p=2414"},"modified":"2025-05-07T14:01:38","modified_gmt":"2025-05-07T12:01:38","slug":"quarze-und-oszillatoren-im-trend-der-digitalisierung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/quarze-und-oszillatoren-im-trend-der-digitalisierung\/","title":{"rendered":"Quarze und Oszillatoren im Trend der Digitalisierung"},"content":{"rendered":"\n

Internet of Things \u2013\nschon seit ein paar Jahren ist dieses Buzzword unser st\u00e4ndiger Wegbegleiter. Ger\u00e4te,\ndie der \u201eIoT-Welt\u201c angeh\u00f6ren, k\u00f6nnen drahtlos miteinander kommunizieren. Das\nist meist mithilfe der g\u00e4ngigen Standards wie WiFi, Bluetooth, Zigbee oder 5G\nm\u00f6glich. Das Internet der Dinge ver\u00e4ndert auch die Anforderungen an Ger\u00e4te.\nJedes Smartphone ist heutzutage ein Verbindungsknoten zu anderen Ger\u00e4ten. Smart\nHome Anwendungen oder die Smart Watch am Handgelenk sind nur zwei der\nunz\u00e4hligen Beispiele daf\u00fcr. <\/p>\n\n\n\n

Damit alles reibungslos funktioniert, muss jedes Bauteil auf die Anforderungen des Wireless-Bereichs abgestimmt sein. Das gilt auch f\u00fcr die kleinen Quarze und Oszillatoren, die in vielen elektronischen Anwendungen den Takt angeben. Es stellt sich die Frage: Was ist beim Einsatz von Quarzen und Oszillatoren in Anwendungen des IoT-Bereichs zu beachten?<\/p>\n\n\n\n

Immer kleinere Produkte ben\u00f6tigen immer kleinere Bauteile<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\"Ein<\/figure>
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Besonders im Consumer-Elektronik Bereich stieg das Angebot immer kleinerer, batteriebetriebener Anwendungen und Wearables in den letzten Jahren stark an. Die Produkte selbst und somit auch die entsprechenden Bauteile und Leiterplatten werden immer kleiner. Man spricht vom Trend zur \u201eMiniaturisierung\u201c. So ist beispielsweise bei vielen Produkten der namhaften IC-Hersteller kein Ende des Trends absehbar, was sich dadurch auf weitere Bauteile auswirkt \u2013 darunter beispielsweise auf unsere Quarze und Oszillatoren. <\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

Infolgedessen \u00e4ndern sich auch\ndie Anforderungen an die Geh\u00e4use und Spezifikationen passiver Bauteile, welche\nnat\u00fcrlich ebenfalls kleiner werden m\u00fcssen. Das hat auch Vorteile: Zum einen\nwird weniger Rohmaterial ben\u00f6tigt, was gut f\u00fcr die Umwelt ist. Zum anderen\nsinken die Kosten f\u00fcr Verpackung, Transport und Lager. <\/p>\n\n\n\n

Eine Herausforderung des Trends ist jedoch die physikalische Limitierung bez\u00fcglich der Frequenz. Eine gew\u00fcnschte niedrige Frequenz erreicht man bei der Entwicklung durch ein dickes Quarz-Blank und eine h\u00f6here Frequenz entsprechend durch ein d\u00fcnnes Quarz-Blank. Hierbei darf das Verh\u00e4ltnis von Fl\u00e4che\/Dicke nicht unter einen bestimmten Wert geraten, weil sonst die elektrischen Parameter ung\u00fcnstig werden. Umgekehrt bedeutet das, dass bei sehr kleinen Bauformen niedrige Frequenzen (mit dicken Blanks) nicht sinnvoll abgebildet werden k\u00f6nnen. Diese Limitierung betrifft jedoch vorwiegend Quarze und nicht Quarz-Oszillatoren, da diese im Inneren ein IC besitzen, mit dem meist die Frequenz geteilt werden kann. Daher besitzen Oszillatoren einen gr\u00f6\u00dferen Handlungsspielraum hinsichtlich der Frequenz. Au\u00dferdem k\u00f6nnen einige Oszillatoren auch wesentlich h\u00f6here Frequenzen erreichen, indem die interne Quarz-Frequenz vom IC vervielfacht wird. In der Regel wird die sogenannte \u201aPierce-Schaltung\u2018 f\u00fcr den Betrieb von Quarzen verwendet. Die Darstellung der Grundschaltung zeigt, dass sie im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht. <\/p>\n\n\n\n

\"Darstellung
Darstellung der Pierce-Schaltung<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Das sind die Resonanzschleife, in der die eigentliche\nOszillation stattfindet, sowie die R\u00fcckkoppelschleife, die die Schaltung erst\nzum Schwingen anregt und sie danach weiter mit Energie versorgt, um Verluste\nder Schaltung auszugleichen.
\nDer Quarz in der Resonanzschleife sorgt hierbei daf\u00fcr, dass die Schwingung einzig\nbei seiner Resonanzfrequenz stattfindet, indem er ausschlie\u00dflich bei dieser\nFrequenz seine h\u00f6chste G\u00fcte aufweist.<\/p>\n\n\n\n

Sicheres Anschwingen mit\nm\u00f6glichst wenig Energie<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Viele der kleinen,\nbatteriebetriebenen Ger\u00e4te basieren auf sogenannten SoC-Komponenten (System-on-Chip).\nDer Stromverbrauch ist in vielen dieser Anwendungen ein \u00e4u\u00dferst wichtiger\nFaktor. Jedoch wird ein niedriger Stromverbrauch heute oft durch eine niedrige\nBetriebsspannung erreicht. Diese wiederum wirkt sich negativ auf die\nSchwingsicherheit der Quarz-Schaltung aus. Um diesen negativen Einfluss zu\nkompensieren muss der Entwickler ein besonderes Augenmerk auf die Wahl der\nKomponenten und die optimale Abstimmung der Schaltung legen. <\/p>\n\n\n\n

Um negative Auswirkungen auf die Schwingsicherheit durch kleinere Bauteile sowie die niedrige Betriebsspannung zu kompensieren, wird oft eine kleinere nominale Lastkapazit\u00e4t (CL<\/sub>) des Quarzes gew\u00e4hlt. Eine Schaltung mit kleinerem CL<\/sub> kann oft auch von schw\u00e4cheren Treiberstufen mit noch akzeptablen Schwingsicherheits-Werten betrieben werden. Bei der Abstimmung im Labor \u00fcberpr\u00fcft der Entwickler Frequenzgenauigkeit, Schwingsicherheit sowie die Leistung am Quarz, um eine hohe Betriebssicherheit im Feld sicherzustellen. Die Jauch Quartz GmbH bietet diese Untersuchungen f\u00fcr Ihre Kunden an, um Entwickler bei dieser Aufgabenstellung zu unterst\u00fctzen.<\/p>\n\n\n\n

\"Produktmanagerin
W\u00e4hrend einer Schaltungsuntersuchung werden Schwingsicherheit, Frequenzgenauigkeit sowie die Leistung am Quarz analysiert.<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

H\u00f6chste Frequenzgenauigkeit f\u00fcr\nWireless-Applikationen<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Eine wesentliche Anforderung\nan Quarze in Wireless-Applikationen ist selbstverst\u00e4ndlich die\nFrequenzgenauigkeit. Normalerweise erhalten\nSchaltungen Funkwellen in engen Frequenzb\u00e4ndern. Um St\u00f6rungen durch andere\nFrequenzen zu vermeiden und die Verbindung auch \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Reichweiten zu\nerm\u00f6glichen, ist eine geringe Abweichung der Nennfrequenz erforderlich. So darf\ndie Frequenzabweichung bei Bluetooth zum Beispiel maximal +-40 ppm (parts per\nmillion) betragen. Dieses Limit darf \u00fcber die gesamte Lebensspanne der\nApplikation unter keinen Umst\u00e4nden \u00fcberschritten werden. Um das sicherzustellen,\nmuss der Entwickler in einer Worst-Case-Kalkulation alle m\u00f6glichen Einfl\u00fcsse\n\u00fcberschlagen, also im Wesentlichen:<\/p>\n\n\n\n