Takterzeugung Resonatoren richtig auswählen

Ob Mobiltelefon, Fitnessüberwachungsgerät, Mediaplayer oder Car-Infotainment-System – immer findet sich irgendwo eine Oszillatorschaltung mit mindestens einem Resonator, um das System mit ihrem Taktsignal zu versorgen. Doch wie finde ich den richtigen Resonator, und wie verwende ich ihn korrekt?

Von Kazutaka Hori, Product Engineer bei Tokyo Denpa, einem Unternehmen der Murata-Gruppe.

Auf dem Markt werden verschiedene Arten von Resonatoren angeboten, darunter der schlichte Quarz als einfachste Variante. In ein Metallgehäuse ist hier ein Quarzplättchen eingebaut, das aus einem synthetisch hergestellten Quarzkristall herausgeschnitten wurde. Dank ihres außerordentlich hohen Gütefaktors Q eignen sich Quarzresonatoren hervorragend für abgestimmte Schaltungen und zeichnen sich durch eine sehr hohe Temperatur- und Langzeitstabilität aus. Die Toleranz der Schwingfrequenz kann typisch im Bereich von ±10 ppm beziehungsweise ±0,001% liegen (gemessen bei +25 °C). Die Temperaturstabilität bezogen auf +25 °C beträgt typisch ±10 ppm in einem Bereich von -30 °C bis +85 °C. Bei der Auswahl eines Quarzschwingers kann die Gehäusegröße ein entscheidendes Kriterium sein. Da die Resonanzfrequenz von der Größe der Kristallscheibe abhängig ist, lassen sich die Abmessungen des Gehäuses nicht beliebig verkleinern. So bietet Murata Quarze beispielsweise in den Serien »XRCGD« und »XRCMD«, deren Abmessungen 2,0 mm x 1,6 mm x 0,45 mm beziehungsweise 1,6 mm x 1,2 mm x 0,33 mm betragen.

Zugeschnitten auf die Anforderungen bestimmter Applikationen gibt es auch Varianten des einfachen Quarzkristalls. Dies sind beispielsweise der VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator), also der spannungsgesteuerte Quarz-oszillator, und der TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator), der temperaturkompensierte Quarzoszillator. Diese werden immer dann verwendet, wenn über einen erweiterten Temperaturbereich hinweg eine extrem stabile Frequenz benötigt wird. Für Fälle, die höchste Präzision verlangen, gibt es außerdem den OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator), in dem die gesamte Oszillatorschaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, die in der Regel höher ist als die Umgebungstemperatur. Tabelle 1 stellt die Eigenschaften verschiedener Oszillator-Regelelemente gegenüber.

Regelelement

Preis Größe Abstimmung Toleranz der SchwingfrequenzLangzeitstabilität
LC-Gliedgünstiggroß nötig ±2,0%angemessen
RC-Gliedgünstigkleinnötig±2,0%angemessen
Quarzresonatorteuergroßnicht nötig±0,001%hervorragend
Keramikresonator günstig klein nicht nötig ±0,5%hervorragend
Tabelle 1: Eigenschaften verschiedener Oszillator-Regelelemente

Eine weitere Oszillatorbauart nutzt die mechanische Resonanz von Keramik. Diese Keramikresonatoren besitzen ebenfalls eine hohe Frequenzstabilität. Sie sind zwar nicht so stabil wie Quarze, erreichen aber immerhin eine typische Abweichung von ±0,1% von der Nennfrequenz. Gleichzeitig sind sie allerdings in der Regel deutlich (um etwa die Hälfte) kleiner als entsprechende Quarze. Die oberflächenmontierbaren Keramikresonatoren der Serie »CSTCE« von Murata etwa messen 3,2 mm x 1,3 mm x 0,9 mm, besitzen eine Frequenzstabilität von typisch ±0,1% und weisen eine Temperaturstabilität von ±0,08% im Bereich von 0 °C bis +70 °C auf. 
Abhängig von der Nennfrequenz haben Keramikresonatoren unterschiedliche Schwingungseigenschaften (Tabelle 2).

Schwingungsart Frequenzbereich Anwendungen 
Flächenausdehnung 100 kHz bis ca. 1 MHz Kilohertz-Keramikresonator 
radiale Vibration 100 kHz bis ca. 1 MHz Kilohertz-Keramikresonator 
Dicken-Scherschwinger1 MHz bis 10 MHzMegahertz-Keramikresonator
Dickenausdehnungca. 2 MHz bis 100 MHzMegahertz-Keramikresonator
akustische Oberflächenwelle (SAW)ca. 5 MHz bis über 1 GHzSAW-Resonator
Tabelle 2: Schwingungsarten von Keramikresonatoren

Niederfrequente Schwingungen im Bereich von 100 kHz bis 1000 kHz zum Beispiel basieren auf der Flächenausdehnung, während Resonatoren für Frequenzen von mehr als einigen Megahertz als Dicken-Scherschwinger ausgeführt werden. Aufgrund ihrer Konstruktionsweise eignen sich Keramikresonatoren für die Massenfertigung, wodurch sie deutlich kostengünstiger sind als Quarze.