Quarzoszillatoren Vorteile und Unterscheidungsmerkmale von OCXOs

Die Speerspitze der thermostatisierten Quarzoszillatoren-Technologie - die OCXOs
Die Speerspitze der thermostatisierten Quarzoszillatoren-Technologie - die OCXOs

Ein thermostatisierter Quarzoszillator, kurz OCXO genannt, stellt die Speerspitze der Quarzoszillator-Technologie dar. Dabei wird der Quarz in der Schaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten, um höchstmögliche Stabilität zu erreichen.

Aufgrund der gleichbleibenden Temperatur am Quarz selbst sind mit einem hochwertigen OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) Frequenzstabilitätswerte bis 0,2 ∙ 10–9 erreichbar, während im Vergleich dazu mit einem hochwertigen TCXO (temperaturkompensierter Quarzoszillator) 0,1 ∙ 10–6 erreicht werden. Und diese Stabilität bleibt dabei auch über einen weiten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C erhalten.

Diese hohe Performance beruht auf dem verwendeten Schwingquarz (entweder AT-Schnitt oder SC-Schnitt), der sehr genau auf der Temperatur des Umkehrpunkts gehalten wird. Wie Bild 1 zu entnehmen ist, weist die Kennlinie eines AT-Cut einen oberen Umkehrpunkt auf, dessen Temperatur mit dem Schnittwinkel variiert.

Darüber hinaus wird in dieser Abbildung gezeigt, dass sich der SC-Cut durch einen flacheren Umkehrpunkt bei höherer Temperatur auszeichnet. Er eignet sich daher für Anwendungen, in denen eine höhere Betriebstemperatur erforderlich ist. Der Nachteil von Quarzen im SC-Schnitt liegt darin, dass die Herstellung wesentlich schwieriger und die erwartete Ausbeute geringer ist als bei AT-Schnitt-Quarzen. Zwangsläufig liegen die Kosten deutlich höher.

Die Art und das Design der Quarzgehäuse hängen von der Gesamtspezifikation ab, die vom Kunden in Zusammenarbeit mit dem Hersteller definiert wird. Dies beinhaltet auch die Umweltanforderungen. Zu den typischen Quarzhaltern zählen die Standardbauformen HC49 und HC37. Sie können auch einen Vierpunktaufbau enthalten. Dadurch lässt sich die Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen wie Schock oder Vibration verringern.

Die Schaltung zur Thermostatisierung besteht aus einem oder zwei Leistungstransistoren. Beim Design wird darauf geachtet, dass die frequenzbestimmenden Bauelemente im Bereich der Heiztransistoren positioniert werden. Die Transistoren (häufig werden zwei Stück verwendet, um die Temperaturgradienten zu minimieren) werden normalerweise durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung geregelt, die in einem ihrer Zweige einen Temperatursensor enthält; dessen Ausgang wiederum wird zur Regelschaltung rückgekoppelt und der andere Zweig zum Abgleich der Umkehrpunkt-Temperatur des Quarzes verwendet.

10 MHz wird sehr häufig verwendet

Generell können OCXOs mit Frequenzen zwischen 5 MHz und ungefähr 130 MHz hergestellt werden. Offenkundig sind bestimmte Frequenzen tendenziell aber mehr verbreitet als andere, und die tatsächlich verwendete Frequenz hängt von der jeweiligen Kundenanwendung ab. Wird eine niedrigere Frequenz benötigt, so wird diese durch Frequenzteilung erreicht.

Die am häufigsten verwendete OCXO-Frequenz liegt bei 10 MHz; sie ist im Allgemeinen in Anwendungen wie Messgeräten und Referenztaktgebern vorzufinden. Höhere Frequenzen – beispielsweise 100 MHz – finden oft als Referenzoszillatoren in Radargeräten Verwendung, die üblicherweise mit den Anforderungen eines sehr geringen Phasenrauschens verbunden sind. Ein Beispiel dafür ist IQDs IQOV-200F, dessen Phasenrauschkurve in Bild 2 abgebildet ist.

 

Ein typischer OCXO ist im Blockdiagramm gemäß Bild 3 dargestellt. Zu beachten ist, dass das Herzstück durch den Oszillator gebildet wird, der den Schwingquarz enthält. Wie bereits erwähnt, handelt es sich dabei entweder um einen AT-Schnitt- oder einen SC-Schnitt-Quarz. Der SC-Schnitt-Quarz hat dabei den Vorteil, dass er eine geringere Alterungsrate aufweist und aus diesem Grunde im Laufe der Zeit weniger Nachjustierung erfordert, um Frequenzänderungen über die Zeit zu kompensieren. Darüber hinaus stellen viele OCXO-Hersteller sowohl den Quarz als auch den Oszillator selbst her, weil ihnen dies die vollständige Kontrolle über alle Prozesse hinweg ermöglicht und sie damit bestmögliche Qualität erreichen können.

Die interne Spannungsstabilisierung wiederum trägt einen großen Teil zur Gesamtqualität des OCXO bei. Denn mit ihr werden schwankende Versorgungsspannungen im Rahmen des spezifizierten Spannungsversorgungsbereichs minimiert und das Rauschen bestmöglich reduziert.

Die Ausgangsstufe wandelt den Ausgangspegel der Oszillatorstufe in ein Sinus- oder HCMOS-Signal um, wobei dies die jeweilige Kundenapplikation vorgibt. Bei OCXO-Anwendungen ist häufig ein Sinus-Ausgang vorzuziehen, weil er eine bessere spektrale Reinheit aufweist als ein Rechtecksignal.

Die Thermostatisierung, die bereits in diesem Beitrag angesprochen wurde, bildet den Haupt-Stromverbraucher im Oszillator. Dieser Schaltungsteil zum Nachstimmen der Frequenz besteht aus mindestens einer Varicap-Diode. Sie ermöglicht einen Mechanismus, um die Frequenz nachzustellen und so schwankende Schaltungsbedingungen sowie die Alterung des Quarzes über eine längere Zeitspanne zu kompensieren. Bei Anwendungen, die nur selten Anwendereinwirkungen erfordern, kann diese Regelung auch ferngesteuert oder durch eine Phasenregelschleife (PLL, Phase Locked Loop) erfolgen.