Drive-Level und Quarzstrom messen

Drive-Level und Quarzstrom messen

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

  1. Unterbrechen Sie die Leitung zwischen C1 und dem IC-Pin XIN. An die Trennstelle eine kleine Drahtschleife einlöten.

  2. HF-Stromzange um die Drahtschleife legen. Wichtig: nicht um die komplette Leitung, sondern nur um den Draht der Schleife.

  3. Versorgungsspannung einschalten, nach 60 s Einschwingen die Stromamplitude I_peak am Oszilloskop ablesen.

  4. I_rms aus I_peak berechnen: I_rms = I_peak / √2.

  5. 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

  1. Spannung an XIN bzw. am C1-Anschluss gegen GND messen: U_XIN (peak-to-peak).

  2. Spannung an XOUT gegen GND messen: U_XOUT (peak-to-peak). Zur Orientierung: typisch ist U_XOUT deutlich größer als U_XIN.

  3. Stromamplitude über C1 berechnen: I_peak = 2π · f · C1 · U_C1,peak.

  4. 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.

  5. 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

ApplikationDrive-Level typ.Bewertung
32,768 kHz Uhrenquarz0,1 – 1 µWNormal
32,768 kHz Uhrenquarz> 1 µWKritisch, Drive begrenzen
MHz-Quarz Low-Power-MCU5 – 50 µWNormal
MHz-Quarz Standard-MCU50 – 200 µWNormal
MHz-Quarz FPGA / ASIC100 – 300 µWGrenzbereich (Quarz-Datenblatt prüfen)
LRT-Quarz SMD03025/4bis 500 µWzulässig nach Datenblatt
LRT-Quarz SMD02016/4bis 400 µWzulässig 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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