Alternativen zu Quarzkristallen als Taktgeber Keramik, Quarz und Silizium im Wettstreit

Die Zeitsteuerung/Taktung ist für den Betrieb eines modernen digitalen Systems von entscheidender Bedeutung; zum Erstellen einer Taktquelle lassen sich vielfältige Techniken und Lösungen verwenden. Doch ob die erforderliche Frequenz nun bei ein paar Kilohertz oder über 100 MHz liegt – stets müssen Entwickler Faktoren wie Kosten, Leistungsverbrauch, Platzbedarf, Stabilität über die Temperatur und die Versorgungsspannung sowie das generierte Rauschen mit in Betracht ziehen.

Alternativen zu Quarzkristallen als Taktgeber

Die Zeitsteuerung/Taktung ist für den Betrieb eines modernen digitalen Systems von entscheidender Bedeutung; zum Erstellen einer Taktquelle lassen sich vielfältige Techniken und Lösungen verwenden. Doch ob die erforderliche Frequenz nun bei ein paar Kilohertz oder über 100 MHz liegt – stets müssen Entwickler Faktoren wie Kosten, Leistungsverbrauch, Platzbedarf, Stabilität über die Temperatur und die Versorgungsspannung sowie das generierte Rauschen mit in Betracht ziehen.

Allgemein sind zwei Strategien zur Erzeugung eines Taktsignals bekannt: entweder durch Induktion elektrischer Schwingungen in eine Verstärkerschaltung oder durch einen hochgenau bearbeiteten Quarzkristall bzw. einen piezoelektrischen Keramik-Chip. Hierfür steht eine breite Vielfalt an Komponenten, ICs und integrierten Oszillatoren zur Verfügung, die es Entwicklern ermöglicht, eine der beiden Strategien zu verwenden, um die am besten geeignete Lösung für ein gegebenes Spektrum von Systemanforderungen zu erzielen.

Es gibt zahlreiche, gut bekannte Schaltungen, die zum Bau eines Oszillators unter Verwendung diskreter Komponenten Verwendung finden, einschließlich Colpitts- (kapazitive Dreipunkt-), Wienbrücken- sowie Quadratur-Oszillatoren. Grundsätzlich ist jede Ausführung so ausgelegt, dass sie in einer Verstärkerschaltung mit passiven Rückkopplungsbausteinen eine instabile Bedingung bildet. Im Kernpunkt der Oszillator-Entwicklung machen es die Barkhausen-Schwingungskriterien erforderlich, dass die Schleifenverstärkung des Verstärkers bei Resonanzfrequenz größer als 1 und die Phasenverschiebung rund um die Rückkopplungsschleife 360° (oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360°) sein muss. Wird der Oszillator unter Einsatz eines Umkehrverstärkers und eines Filterblocks gebaut, wie in der vereinfachten Schaltung gemäß Bild 1 dargestellt, so wird durch den Umkehrverstärker eine Phasenverschiebung von 180° eingeführt. Aus diesem Grunde muss der Filterblock weitere 180° Phasenverschiebung beitragen. Das Filternetzwerk bestimmt außerdem die Frequenz des Oszillators. Diese Rollen werden durch den Einsatz eines abgeglichenen Spulen-Widerstands- (LR) oder Kondensator-Widerstands-Netzwerks (CR) übernommen. Da Spulen tendenziell verhältnismäßig sperrig sind, ist der RC-Oszillator mit Abstand am weitesten verbreitet, insbesondere für Schwingungsfrequenzen bis zu mehreren hundert kHz.