Quarze, Oszillatoren und Resonatoren Frequenzgeber für jedes Anforderungsprofil

Alles wird nach Zeit bemessen: Selbst der komplexeste Halbleiterchip benötigt frequenzbestimmende Komponenten, welche den Takt vorgeben. So vielfältig die Anforderungen der jeweiligen Applikation auch sein mögen, es gibt dafür prädestinierte Frequenzgeber. Beispiele dafür finden Sie hier.

Bei Quarzoszillatoren ist der Quarz die frequenzbestimmende Komponente des Schwingkreises. Er kann je nach Schaltungskonzept im Schwingkreis liegen, aber ebenso als Reihenresonanz in der Mitkopplung. In dieser Schaltung bildet der Quarz bei Serienresonanz einen sehr geringen Widerstand, über den die Oszillatorfrequenz rückgekoppelt wird. Der Resonanzkreis schwingt dadurch auf der Quarzfrequenz.

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Quarze, Oszillatoren, Resonatoren Bilder 1 bis 10

Quarze, Oszillatoren und Resonatoren welche den Takt vorgeben in den jeweiligen Applikationen (Bilder 1 bis 10).

Bei Quarzoszillatoren ist der Quarz die frequenzbestimmende Komponente des Schwingkreises. Er kann je nach Schaltungskonzept im Schwingkreis liegen, aber ebenso als Reihenresonanz in der Mitkopplung. In dieser Schaltung bildet der Quarz bei Serienresonanz einen sehr geringen Widerstand, über den die Oszillatorfrequenz rückgekoppelt wird. Der Resonanzkreis schwingt dadurch auf der Quarzfrequenz.

Zur weiteren Erhöhung der Frequenzstabilität, die beim normalen Quarzoszillator bei etwa 5 ppm bis 100 ppm liegt, werden Quarzoszillatoren temperaturkompensiert. Diese Quarzoszillatoren heißen „Temperature Compensated Crystal Oscillator“ (TCXO), oder sie werden in einem heizbaren Gehäuse, einem kleinen, temperaturstabilen Ofen, untergebracht. Letztere nennt man „Oven Controlled Crystal Oscillator“ (OCXO).

Darüber hinaus kommen als frequenzbestimmende Bauteile auch Keramikresonatoren bzw. piezokeramische Resonatoren zum Einsatz. Dies sind elektronische Bauelemente aus Piezokeramik, einem ferroelektrischen Material. Sie nutzen den piezoelektrischen Effekt für frequenzbestimmende oder frequenzselektierende Anwendungen und werden ähnlich wie Schwingquarze eingesetzt. Sie besitzen jedoch nicht deren Frequenzgenauigkeit und -stabilität. Keramikresonatoren weisen gegenüber Schwingquarzen kleinere Abmessungen und einen geringeren Bedarf an externen elektronischen Bauelementen auf. Zudem sind sie gegenüber mechanischen Belastungen robuster und kosten auch weniger. Durch mechanische Kopplung von zwei und mehr Resonatoren lassen sich zudem auch einfache elektrische Filter herstellen. Nach diesem kurzen Einstieg in die Thematik der frequenzbestimmenden Bauteile folgt nun eine Zusammenstellung an interessanten Produktneuheiten, die nicht nur von US-amerikanischen und asiatischen Herstellern, sondern auch von deutschen Firmen auf den Markt gebracht worden sind.

Quarze für Automobilelektronik-Applikationen

Die Firma Geyer Electronic hat ihr Quarzangebot gezielt für den Automobilbereich erweitert. Der Uhrenquarz KX-327NHF (Bild 1) ist mit den Abmessungen von 3,2 × 1,5 × 0,8 mm³ und der Frequenz von 32,7680 kHz lieferbar. Des Weiteren ist er mit zwei unterschiedlichen Lastkapazitäten (9 pF und 12,5 pF) verfügbar und als AEC-Q200-qualifiziertes Bauteil für Automobilelektronik-Applikationen mit einem erweiterten Temperaturbereich von –55 bis +125 °C gut geeignet.

Da die neuen Kfz-Generationen mit immer mehr Fahrerassistenzsystem ausgestattet und damit immer mehr ECUs mit integrierten Frequenzgebern benötigt werden, ist auch die Firma Murata  in diesem Marktsegment tätig. Sie entwickelte mit der Serie XRCGB-F-A (Bild 2) neue Schwingquarze, die im kompakten 2016-Format (2,0 × 1,6 mm²) einen Frequenzbereich von 24 bis 48 MHz abdecken. Die Quarzeinheiten arbeiten dabei mit einer Frequenztoleranz von ±30 ppm und einer Temperaturstabilität der Frequenz von ±35 ppm, die auch im typischen Automotive-Temperaturbereich von –40 bis +125 °C zugesichert werden kann. Außerdem erfüllen sie den Qualifikationsstandard AEC Q200 für elektronische Bauelemente in Kraftfahrzeugen sowie die Anforderungen der RoHS- und ELV-Richtlinien. Der US-Hersteller Qantek Technology (www.qantek.com) wiederum hat mit der QC16-Serie sein Produktportfolio an Schwingquarzen ausgebaut. Diese Schwingquarz-Serie im 4-Pad-SMD-Keramikgehäuse misst lediglich 1,6 × 1,2 × 0,4 mm³ und deckt einen Frequenzbereich von 24 bis 40 MHz ab. Wahlweise stehen Frequenztoleranzen bis zu ±15 ppm bei 25 °C und sogar Frequenzstabilitätswerte bis zu ±15 ppm über den industriellen Arbeitstemperaturbereich (–40 bis +85 °C) zur Auswahl.

Wenn Temperaturen bis 210 °C ansteigen

Es gibt Marktsegmente wie Geothermie oder Bohrindus­trie, bei denen die verwendeten Elektronikmodule sehr hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Aber auch dafür gibt es geeignete Oszillatoren, die wie im Falle der MCSO6-Serie des Schweizer Herstellers Micro Crystal  Arbeitstemperaturen bis 210 °C mühelos standhalten (Bild 3). Die Frequenzstabilitätswerte lauten hier maximal ±100 ppm bei Arbeitstemperaturen von –55 bis +125 °C bzw. maximal ±400 ppm innerhalb des maximalen Arbeitstemperaturbereichs von –55 bis +210 °C. Selbst bei dieser Temperaturbelastung ist die MCSO6-Serie noch mit einer Schockfestigkeit von 40 g sowie einer Vibrationsfestigkeit von 10.000 g spezifiziert.

Angeboten werden die Oszillatoren mit einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 60 MHz, und als zulässige Versorgungsspannungen stehen Werte von 2,5 bis 5 V zur Auswahl. Die MCSO6-Serie eignet sich nicht nur für die Bohrgeräteindustrie oder geothermische Geräte, sondern auch für bordgestützte Flugsysteme.

Flach, kompakt und Strom sparend

Ultra-Miniatur-Oszillator darf sich ein Exemplar wohl dann nennen, wenn es – wie im Falle der JO21-Serie (Bild 4) von Jauch Quartz – sich auf Abmessungen von 2 × 1,6 × 0,8 mm³ schrumpfen lässt. Diese mit einer Stopp-Funktion ausgestatteten Bausteine decken einen Frequenzbereich von 1,625 bis 54 MHz ab und werden bei Versorgungsspannungen bis herab auf 1,8 V (DC) betrieben. Die Lastkapazität darf maximal 15 pF betragen, damit der Baustein sich mit einem Strom von 7 mA bei maximal 54 MHz bzw. von 3 mA bei maximal 19,9 MHz Schwingfrequenz begnügt.

Die oberflächenmontierbaren Bauteile sind für Umgebungstemperaturen von –20 bis +70 °C bzw. –40 bis +85 °C ausgelegt, wobei im erstgenannten Bereich Frequenzstabilitätswerte bis herab auf ±30 ppm, im erweiterten Bereich bis herab auf ±50 ppm spezifiziert werden können. Die Hochlaufphase des Bausteins fällt mit maximal 10 ms sehr knapp aus, und bei Aktivieren der Stopp-Funktion läuft der Baustein im Stand-by-Betrieb, der den Strombedarf auf 10 µA reduziert.

32,768-kHz-Oszillatoren erobern Wearables

Moderne, auf der Hibernation Technology („Winterschlaf“) basierende, batteriebetriebene Wearables (Kleidungsstücke mit integrierten Elektronikmodulen) müssen sehr schnell vom Sleep Mode in den Betriebs-Modus und zurück in den Schlaf-Modus gebracht werden, um sich sehr stromsparend betreiben zu lassen. Exakt in diese Marktnische stößt die Firma Petermann-Technik  nun mit ihrem sogenannten 32,768-kHz-„Next Generation“-Oszillator (Bild 5), der mit Temperaturstabilitätswerten ab ±5 ppm über –40/+85 °C aufwartet und mit eben diesem Kennwert rund 36-mal frequenzstabiler sein soll als ein herkömmlicher 32,768-kHz-Quarz. Sie seien zudem mit 1,5 × 0,8 mm² extrem klein geraten und begnügten sich mit weniger als 1 µA bei 1,8 V Gleichspannung. Einmalig sei ferner die zur weiteren Strombedarfs-Reduktion anpassbare Ausgangsamplitude und das sehr schnelle Anschwingverhalten. Ebenfalls Strom sparend ist die neue HDK-Serie der englischen Firma Euroquartz, die sich zudem in puncto Jitter und Phasenrauschen vom Wettbewerb abheben will. Erreicht werden 200 fs typisch (HDK3261, Bild 6) bzw. 300 fs typisch (HDK5361/HDK5761), und dies bei einem Phasenrauschen von –136 dBc/Hz bei 10 kHz Frequenz-Offset. Angeboten wird die HDK-Serie mit einem Frequenzbereich von 13,5 bis 200 MHz und LVDS-Ausgangslogik. Die Spannungsversorgung kann zwischen 2,5 und 3,3 V gewählt werden, wobei die Stromaufnahme 16 mA typisch (HDK5361/HDK5761) bzw. 30 mA typisch (HDK3261) beträgt. Innerhalb des industriellen Arbeitstemperaturbereiches von –40 bis +85 °C können Frequenzstabilitätswerte bis zu ±25 ppm spezifiziert werden. Weitere Spezifikationen der Serie sind eine Anschwingzeit von maximal 10 ms und eine Alterung von maximal ±3 ppm pro Jahr.