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Hallo zusammen

habe einen Frage zu folgender Schaltung aus dem cd4521 Datenblatt.
Wozu sind R0 und der 18MOhm Widerstand? Normalerweise sind doch in einer Quarzschaltung nur die 2 Cs, um den Quarz anschwingen zu zu lassen?

Läuft der Baustein normal, auch wenn er mit R* im Low Power Modus geschaltet ist oder oszilliert der Quarz dann nicht mehr? Was macht es für einen Unterschied ihn einzusetzen anstatt ihn normal zu überbrücken? Im Datenblatt steht nur, dass Baustein mit diesem Widerstand für "low power operation" gedacht ist. Wollte die Schaltung schon gerne möglichst Stromsparend oszillieren lassen:

Kann man den Quarz wirklich in den 2 Schaltungsarten verwenden, wie es von den beiden Herstellern vorgeschagen wird?

Hoffe um Hilfe für das Verstehen dieses Datenblattes

Hallo Robert, s.u.:

» habe einen Frage zu folgender Schaltung aus dem cd4521 Datenblatt.
» Wozu sind R0 und der 18MOhm Widerstand? Normalerweise sind doch in einer
» Quarzschaltung nur die 2 Cs, um den Quarz anschwingen zu zu lassen?

Der 18MOhm Widerstand dient dazu, den dazwischenliegenden Inverter (IN2 - OUT2) als Analogverstärker zu betreiben (das ist nur im Quarz-Betrieb notwendig, nicht im RC-Betrieb). R0 dient dazu, die Verlustleistung im Quarz zu verringern (manche Miniaturquarze vertragen nur wenige ...zig mW). Zusätzlich wird Strom gespart.

» Läuft der Baustein normal, auch wenn er mit R* im Low Power Modus
» geschaltet ist oder oszilliert der Quarz dann nicht mehr?

Doch.

» Was macht es für einen Unterschied ihn einzusetzen
» anstatt ihn normal zu überbrücken?
» Im Datenblatt steht nur, dass Baustein mit diesem Widerstand
» für "low power operation" gedacht ist.

Genau das.

» Wollte die Schaltung schon gerne möglichst Stromsparend oszillieren lassen:

Die max. Werte für R* (ca. 1k...10k) und R0 (ca. 100...1k) sind Spannungs- und Quarz-abhängig. Zum Stromsparen in der endgültigen Schaltung ausprobieren, bis der Quarz beim Einschalten der Stromversorgung nicht mehr anschwingt, und dann um 20% (oder sicherheitshalber um 40%) verringern.

» Kann man den Quarz wirklich in den 2 Schaltungsarten verwenden, wie es von
» den beiden Herstellern vorgeschagen wird?

Ja.

» Hoffe um Hilfe für das Verstehen dieses Datenblattes

HTH

»

--
Gruß, erikl

Hallo,

vielen Dank für die Antwort
sind deine angegebenen Werte Erfahrungswerte oder hast du die Schaltung schon mal ausprobiert? Im Datenblatt stehen ja nur bsp Werte für 50 und 500khz. Bringt einen irgendwie nicht weiter, wenn man 2 Mhz benuzt.

So wie ich das verstanden habe, kann diese Widerstandsbeschaltung auch bei einer Mikrokontrollerquarzschaltung(wie man sie kennt) benutzt werden. Sie ist also für die Stromveringerung zuständig.

» So wie ich das verstanden habe, kann diese Widerstandsbeschaltung auch bei
» einer Mikrokontrollerquarzschaltung(wie man sie kennt) benutzt werden.

Da sowohl dieses IC wie auch die meisten µC's die gleiche / ähnliche interne Oszillatorschaltung haben, kann man auch dieselben Maßnahmen dort anwenden.
Parameter können je nach IC Typ leicht anders sein - siehe Eriks Erklärung.
Wenn man nicht genau weiss, was man macht, sollte man sich an die Applikation im jeweiligen Datenblatt halten.

Und wenn man nicht die 3 Zeilen im Conradkatalog als Datenblatt versteht, sondern auf der Herstellerseite nachsieht, dann findet man die Applikationen - hast du bei dem 4521 ja auch.

hws

» Hallo,
»
» vielen Dank für die Antwort
» sind deine angegebenen Werte Erfahrungswerte oder hast
» du die Schaltung schon mal ausprobiert?

Sowohl - als auch

» Im Datenblatt stehen ja nur bsp Werte für 50 und
» 500khz. Bringt einen irgendwie nicht weiter, wenn man 2 Mhz benuzt.

Die Werte für Cs, Ct & R0 sind auch Quarz-abhängig und sollten in dessen Datenblatt zu finden sein. Falls nicht,
würde ich es bei 2MHz erst 'mal mit der Hälfte der bei 50/500kHz angegebenen Werte versuchen. Mit R0 wird vor allem die Verlustleistung im Quarz festgelegt (R0 verringert die Amplitude der am Quarz anliegenden Sinusschwingung).

Bei den "alten" ICs von RCA/Harris/TI (CD4521) und Motorola (MC14521)
brauchst Du möglicherweise eine Versorgungsspannung von mindestens 10V, damit der 2MHz-Quarz sicher anschwingt.
Die Typen HCF4521 (ST) bzw. HEF4521 (Philips) entstammen einer neueren Technologie-Generation, und schaffen das auch schon bei 5V Versorgungsspannung.

» So wie ich das verstanden habe, kann diese Widerstandsbeschaltung auch bei
» einer Mikrokontrollerquarzschaltung(wie man sie kennt) benutzt werden.
» Sie ist also für die Stromveringerung zuständig.

Richtig, aber der wesentliche Grund dafür ist die Verringerung der Verlustleistung im Quarz (s.o.).

Eine Verringerung der Stromaufnahme der Schaltung erreicht man hauptsächlich durch das Einfügen von R* , womit die Versorgungsspannung der Teiler-FFs herabgesetzt wird. Die ersten paar Teiler-FFs nach dem Quarz verbrauchen den meisten Strom.

--
Gruß, erikl

Ok, danke. Soweit habe ich dann die Schaltung wohl verstanden.

» Eine Verringerung der Stromaufnahme der Schaltung erreicht man
» hauptsächlich durch das Einfügen von R* , womit die Versorgungsspannung
» der Teiler-FFs herabgesetzt wird. Die ersten paar Teiler-FFs nach dem
» Quarz verbrauchen den meisten Strom.
Obwohl die Aussage eigentlich klar erscheint(in den ersten Teiler FFs hat man ja noch hohe Frequenzen=> hoher Stromverbrauch), dass man in den ersten Teilern den Strom mit R* begrenzt, sieht das nach dem Datenblatt irgendwie anders aus. Nach dem Logik Diagramm aus dem Datenblatt ist doch die Versorgungsspannung(Vdd' und Vss'), in der R* einefügt wird, ausschließlich für den einen Inverterbaustein, der zum Quarz geschaltet wird.

So ganz hab ich den Sinn von R*(und die korrekte Funktion) aber noch nicht begriffen.
hier mal mein Ansatz:
Der Inverter besteht ja eigentlich aus komplementär geschalteten MOSFETs die entweder gegen VDD oder VSS leiten. Beim Umschalten entstehen durch Kapazitätsaufladungen und dem kurzen gleichzeitigen Leiten beider MOSFETs hohe Strome, weshalb ein Schaltglied auch mehr Strom bei hoher Taktfrequenz benötigt. Fließt nun aber ein solcher hoher Strom so bricht doch durch R* die Spannung über dem Invertergatter zusammen, da die meiste Spannung an R* abfällt. So ein Gatter ist ja kein Konstantstromverbracher. Genau wegen diesem Problem wurde mir gesagt, sollte man Abblockkondensatoren (100nF) An VDD benutzen, um diesen Spannungseinbruch zu verhindern. Da wirkt doch R* eher kontraproduktiv, oder

Wie seht ihr das

» Ok, danke. Soweit habe ich dann die Schaltung wohl verstanden.
»
» » Eine Verringerung der Stromaufnahme der Schaltung erreicht man
» » hauptsächlich durch das Einfügen von R* , womit die Versorgungsspannung
» » der Teiler-FFs herabgesetzt wird. Die ersten paar Teiler-FFs nach dem
» » Quarz verbrauchen den meisten Strom.
» Obwohl die Aussage eigentlich klar erscheint(in den ersten Teiler FFs hat
» man ja noch hohe Frequenzen=> hoher Stromverbrauch), dass man in den
» ersten Teilern den Strom mit R* begrenzt, sieht das nach dem Datenblatt
» irgendwie anders aus. Nach dem Logik Diagramm aus dem Datenblatt ist doch
» die Versorgungsspannung(Vdd' und Vss'), in der R* einefügt wird,
» ausschließlich für den einen Inverterbaustein, der zum Quarz geschaltet
» wird.

Ja, da hast Du Recht; ich hatte mir die Schaltung vorher noch nicht so genau angesehen
Aber jetzt ist es klar: Genau dieser eine Inverter wird ja im Quarz-Oszillator-Betrieb (mittels des 18MOhm-Widerstands) - und auch nur in diesem Fall - als Analogverstärker betrieben, d.h. sein Ein- und Ausgang liegt spannungsmäßig etwa in der Mitte der Versorgungsspannung. Das bedeutet, er zieht *ständig* einen relativ hohen Querstrom. Das ist wohl der Grund, dass man ihm - nur im Quarzbetrieb! - per R* die Spannung verringert.

» So ganz hab ich den Sinn von R*(und die korrekte Funktion) aber noch nicht
» begriffen.

Zusätzlich werden die Anschlüsse VSS' und VDD' für den Test benötigt. VDD' steht somit ohnehin als Pin z.Verf., und damit kann man ihn zur Verringerung der Stromaufnahme benutzen.

» hier mal mein Ansatz:
» Der Inverter besteht ja eigentlich aus komplementär geschalteten MOSFETs
» die entweder gegen VDD oder VSS leiten. Beim Umschalten entstehen durch
» Kapazitätsaufladungen und dem kurzen gleichzeitigen Leiten beider MOSFETs
» hohe Strome, weshalb ein Schaltglied auch mehr Strom bei hoher
» Taktfrequenz benötigt. Fließt nun aber ein solcher hoher Strom so bricht
» doch durch R* die Spannung über dem Invertergatter zusammen, da die meiste
» Spannung an R* abfällt. So ein Gatter ist ja kein Konstantstromverbracher.
» Genau wegen diesem Problem wurde mir gesagt, sollte man
» Abblockkondensatoren (100nF) An VDD benutzen, um diesen Spannungseinbruch
» zu verhindern. Da wirkt doch R* eher kontraproduktiv, oder
»
» Wie seht ihr das

Normalerweise ist das richtig, und eigentlich müsste man hinter dem R* wieder abblocken. Ist aber hier in diesem Spezialfall nicht erforderlich - im Gegenteil: das würde den Stromverbrauch wieder hochtreiben.

--
Gruß, erikl

Hallo,

» Die Werte für Cs, Ct & R0 sind auch Quarz-abhängig und sollten in dessen
» Datenblatt zu finden sein. Falls nicht,
» würde ich es bei 2MHz erst 'mal mit der Hälfte der bei 50/500kHz
» angegebenen Werte versuchen. Mit R0 wird vor allem die Verlustleistung im
» Quarz festgelegt (R0 verringert die Amplitude der am Quarz anliegenden
» Sinusschwingung).

ich habe schon früher darauf hingewiesen, ist aber offensichtlich nicht so angekommen:
R0 hat primär die Aufgabe, eine zusätzliche Phasenverschiebung einzufügen. Bei niedrigen (Quarz)Frequenzen hat der Inverter eine zu geringe laufzeitbedingte Phasenverschiebung und der Oszillator würde garnicht erst anschwingen. Ideal sind um die 270°. Zur Schwingbedingung gehört eine Gesamtphasenverschiebung von 360°. Der Inverter macht 180° plus Laufzeit plus ca. 90° vom Quarz in Resonanz.
Bei höheren Frequenzen im MHz-Bereich reicht die Laufzeit des Inverters u.U. aus (je nach Bauart), um die 360° auch ohne R0 zu erreichen.
Mit Low-Power hat R0 nur insofern zu tun, als man für Low-Power sehr niedrige Quarzfrequenzen benötigt und diese Oszillatoren nur mit zusätzlicher Phasendrehung mittels R0 schwingfähig sind.

Jörg

» R0 hat primär die Aufgabe, eine zusätzliche Phasenverschiebung einzufügen.
» Bei niedrigen (Quarz)Frequenzen hat der Inverter eine zu geringe
» laufzeitbedingte Phasenverschiebung und der Oszillator würde garnicht erst
» anschwingen. Ideal sind um die 270°. Zur Schwingbedingung gehört eine
» Gesamtphasenverschiebung von 360°. Der Inverter macht 180° plus Laufzeit
» plus ca. 90° vom Quarz in Resonanz.

Lt. u.a. Motorola-Handbuch macht der Quarz bei seiner Resonanzfrequenz eine Phasenverschiebung von 0°.

» Bei höheren Frequenzen im MHz-Bereich reicht die Laufzeit des Inverters
» u.U. aus (je nach Bauart), um die 360° auch ohne R0 zu erreichen.

Das würde dann bedeuten, dass die Laufzeit des Inverters plus R0 (zusammen mit seiner kapazitiven Belastung)
die zusätzlichen 180° Phasenverschiebung aufbringen müssen.

» Mit Low-Power hat R0 nur insofern zu tun, als man für Low-Power sehr
» niedrige Quarzfrequenzen benötigt und diese Oszillatoren nur mit
» zusätzlicher Phasendrehung mittels R0 schwingfähig sind.

Sicher richtig. Allerdings wird dadurch auch die am Quarz messbare Schwingungsamplitude und damit seine Verlustleistung herabgesetzt, was man auch in der Simulation sehr schön sehen kann. Auch die Quarz-Hersteller empfehlen das Einfügen eines Vorwiderstands zwecks Verringerung der an ihm abfallenden Verlustleistung, und zwar insbesondere bei HF-Quarzen in Ultra-Miniatur-Ausführung, weil diese eben nur wenige Milliwatt vertragen.

--
Gruß, erikl

» » R0 hat primär die Aufgabe, eine zusätzliche Phasenverschiebung
» einzufügen.
» » Bei niedrigen (Quarz)Frequenzen hat der Inverter eine zu geringe
» » laufzeitbedingte Phasenverschiebung und der Oszillator würde garnicht
» erst
» » anschwingen. Ideal sind um die 270°. Zur Schwingbedingung gehört eine
» » Gesamtphasenverschiebung von 360°. Der Inverter macht 180° plus
» Laufzeit
» » plus ca. 90° vom Quarz in Resonanz.
»
» Lt. u.a. Motorola-Handbuch macht der Quarz bei seiner Resonanzfrequenz
» eine Phasenverschiebung von 0°.

Genau das ist der Grund, warum der Quarz eben nicht genau auf seiner (Eigen)Resonanzfrequenz schwingt, sondern soweit daneben, das sich insgesamt eine Phasenverschiebung von 360° ergibt. Mit Resonanz meinte ich natürlich nicht die Eigenresonanzfrequenz des Quarzes, sondern die Resonanzfrequenz der Gesamtschaltung

» » Bei höheren Frequenzen im MHz-Bereich reicht die Laufzeit des Inverters
» » u.U. aus (je nach Bauart), um die 360° auch ohne R0 zu erreichen.
»
» Das würde dann bedeuten, dass die Laufzeit des Inverters plus R0 (zusammen
» mit seiner kapazitiven Belastung)
» die zusätzlichen 180° Phasenverschiebung aufbringen müssen.

Da der Quarz in der Nähe seiner Eigenresonanz mehr als 90° beitragen kann, reichen weniger als 90° in der Zusatzbeschaltung. Wie sollte denn die Schwingbedingung sonst erfüllt werden ?

» » Mit Low-Power hat R0 nur insofern zu tun, als man für Low-Power sehr
» » niedrige Quarzfrequenzen benötigt und diese Oszillatoren nur mit
» » zusätzlicher Phasendrehung mittels R0 schwingfähig sind.
»
» Sicher richtig. Allerdings wird dadurch auch die am Quarz messbare
» Schwingungsamplitude und damit seine Verlustleistung herabgesetzt, was man
» auch in der Simulation sehr schön sehen kann. Auch die Quarz-Hersteller
» empfehlen das Einfügen eines Vorwiderstands zwecks Verringerung der an ihm
» abfallenden Verlustleistung, und zwar insbesondere bei HF-Quarzen in
» Ultra-Miniatur-Ausführung, weil diese eben nur wenige Milliwatt
» vertragen.

Das mag ja sein, fakt ist aber, dass niederfrequentere Quarze, egal ob groß oder klein, ohne das RC-Glied einfach nicht mehr zuverlässig oder garnicht anschwingen. Die Amplitudenabschwächung ist dann eher ein positiver Nebeneffekt für empfindliche Quarze.

Jörg

» » » R0 hat primär die Aufgabe, eine zusätzliche Phasenverschiebung
» » einzufügen.
» » » Bei niedrigen (Quarz)Frequenzen hat der Inverter eine zu geringe
» » » laufzeitbedingte Phasenverschiebung und der Oszillator würde garnicht
» » erst
» » » anschwingen. Ideal sind um die 270°. Zur Schwingbedingung gehört eine
» » » Gesamtphasenverschiebung von 360°. Der Inverter macht 180° plus
» » Laufzeit
» » » plus ca. 90° vom Quarz in Resonanz.


» » Lt. u.a. Motorola-Handbuch macht der Quarz bei seiner Resonanzfrequenz
» » eine Phasenverschiebung von 0°.


» Genau das ist der Grund, warum der Quarz eben nicht genau auf seiner
» (Eigen)Resonanzfrequenz schwingt, sondern soweit daneben, das sich
» insgesamt eine Phasenverschiebung von 360° ergibt. Mit Resonanz meinte ich
» natürlich nicht die Eigenresonanzfrequenz des Quarzes, sondern die
» Resonanzfrequenz der Gesamtschaltung

Ok, capito. Dann ist das im McMos-Handbuch nicht sehr klar dargestellt.

» » » Bei höheren Frequenzen im MHz-Bereich reicht die Laufzeit des
» Inverters
» » » u.U. aus (je nach Bauart), um die 360° auch ohne R0 zu erreichen.


» » Das würde dann bedeuten, dass die Laufzeit des Inverters plus R0
» (zusammen
» » mit seiner kapazitiven Belastung)
» » die zusätzlichen 180° Phasenverschiebung aufbringen müssen.


» Da der Quarz in der Nähe seiner Eigenresonanz mehr als 90° beitragen kann,
» reichen weniger als 90° in der Zusatzbeschaltung. Wie sollte denn die
» Schwingbedingung sonst erfüllt werden ?

Ja, das müssten schon recht langsame Gatter sein, um bei höherfrequenten
Oszillatorschaltungen - und auch nur dort - noch genügend Phasenverzögerung
durch ihre Laufzeit zu bringen.

» » » Mit Low-Power hat R0 nur insofern zu tun, als man für Low-Power sehr
» » » niedrige Quarzfrequenzen benötigt und diese Oszillatoren nur mit
» » » zusätzlicher Phasendrehung mittels R0 schwingfähig sind.


» » Sicher richtig. Allerdings wird dadurch auch die am Quarz messbare
» » Schwingungsamplitude und damit seine Verlustleistung herabgesetzt, was
» man
» » auch in der Simulation sehr schön sehen kann. Auch die Quarz-Hersteller
» » empfehlen das Einfügen eines Vorwiderstands zwecks Verringerung der an
» ihm
» » abfallenden Verlustleistung, und zwar insbesondere bei HF-Quarzen in
» » Ultra-Miniatur-Ausführung, weil diese eben nur wenige Milliwatt
» » vertragen.


» Das mag ja sein, fakt ist aber, dass niederfrequentere Quarze, egal ob
» groß oder klein, ohne das RC-Glied einfach nicht mehr zuverlässig oder
» garnicht anschwingen. Die Amplitudenabschwächung ist dann eher ein
» positiver Nebeneffekt für empfindliche Quarze.
»
» Jörg

Ok, und danke!

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Gruß, erikl

» » Da der Quarz in der Nähe seiner Eigenresonanz mehr als 90° beitragen
» kann,
» » reichen weniger als 90° in der Zusatzbeschaltung. Wie sollte denn die
» » Schwingbedingung sonst erfüllt werden ?
»
» Ja, das müssten schon recht langsame Gatter sein, um bei höherfrequenten
» Oszillatorschaltungen - und auch nur dort - noch genügend
» Phasenverzögerung
» durch ihre Laufzeit zu bringen.

Mit 74AC...-Logik könnte das schon ein Problem werden. Die internen Oszillator-Inverter z.B. von µPs können natürlich auch keine sehr großen Laufzeiten erzeugen, aber dafür sind deren Ausgänge relativ hochohmig bzw. haben nur geringe Treiberleistung (z.T. per Konfiguration umschaltbar). Die geringe Treiberleistung bei LP-Oszillatoren ermöglicht dann auch die geringe Stromaufnahme. Zusammen mit dem ohnehin nötigen Kondensator am Ausgang bekommst du dann die nötige Phasenverschiebung.

Jörg

Zu der Thematik kann man immer wieder das 'Quarzkochbuch' von Neubig/Briese empfehlen, insbesondere Kapitel 6. Leider ist das Buch zur Zeit vergriffen, und der Verlag hat wohl kein Interesse an einer Neuauflage. Man kann es sich aber kapitelweise aus dem Web besorgen, man bemühe Google.