Frequenzbestimmende Bauelemente Steckbrief der Quarzoszillatoren

Die Vielfalt und Qualität der bewährten Quarzoszillatoren.
Die Vielfalt und Qualität der bewährten Quarzoszillatoren.

Schwingungsgebende Bauteile wie der Quarzoszillator sind seit Jahrzehnten bewährt, und doch gibt es unter den Entwicklungsingenieuren nur wenige, die sich damit gut auskennen. Dies liegt sicher auch daran, dass es sehr viele Parameter gibt, welche die Qualität dieses Bauteils maßgeblich bestimmen.

Zur Erzeugung elektrischer Schwingungen stabiler Frequenz werden Quarzoszillatoren eingesetzt. Abhängig von Umgebungsbedingungen und technischem Aufwand sind geringe Frequenzungenauigkeiten erreichbar, die sich mit der Zeit mit Δf/f = 10-5 bis 10-10/Tag verändern. Oszillatoren geringerer Genauigkeitsklasse werden für Standardfrequenzen als fertige Baueinheiten angeboten.

Quarzoszillatoren für höhere Genauigkeitsansprüche oder mit speziellen Eigenschaften werden für die jeweilige Anwendung zugeschnitten angefertigt. Letztere werden in der Regel von einem Quarzhersteller dimensioniert, können aber auch vom Gerätekonstrukteur entwickelt werden und Teil der Schaltung auf der Geräteleiterplatte sein.

Begriffsdefinitionen für Oszillatoren

In Übereinstimmung mit internationalen Normen werden Quarzoszillatoren entsprechend ihren grundlegenden Eigenschaften und Leistungsmerkmalen in vier Hauptgruppen unterschieden:

  • Einfache Quarzoszillatoren (PXO) = (Package) Crystal Oscillator
  • Spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren (VCXO) = Voltage Controlled Crystal Oscillator
  • Temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXO) = Temperature Compensated Crystal Oscillator
  • Temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXO) = Ovenized Crystal Oscillator.

Einfache Quarzoszillatoren (PXO)

Ein Quarzoszillator ist im allgemeinen ein rückgekoppelter Verstärker, wobei im Rückkopplungsnetzwerk der Schwingquarz als frequenzbestimmendes Bauelement enthalten ist. Eine prinzipielle Oszillatorschaltung zeigt Bild 1. Selbsterregung tritt ein, wenn die Schleifenverstärkung größer als eins ist. Der Oszillator schwingt dann mit der Frequenz, bei der die Phasendrehung der gesamten Schleife den Wert 2n × π (n = 0, 1, 2, ...) hat.

Das Ausgangssignal des Oszillators wiederum ist gekennzeichnet durch

  • den Mittelwert der Oszillatorfrequenz, allgemein die Arbeitsfrequenz
  • die Oberwellen der Oszillatorfrequenz (harmonische Verzerrung, Klirrfaktor)
  • die Seitenbänder der Oszillatorfrequenz (nichtharmonische Nebenschwingungen, Modulation)
  • die Rauschbandbreite des Oszillatorsignals

Für die Mehrzahl der Anwendungen ist die Betrachtung des Mittelwertes der Oszillatorfrequenz ausreichend. Auf das Rauschen und die Kurzzeitstabilität der Frequenz (Frequenzschwankungen im Ultrakurzzeitbereich) wird später eingegangen. Der Mittelwert der Oszillatorfrequenz, weiterhin nur Oszillatorfrequenz genannt, hängt also durch die Bedingung der Selbsterregung von der Phasenbedingung der Schleife ab, oder anders gesagt, jede Störung der Phasenlage der Schleife führt zu Frequenzänderungen. Störungen der Phasenlage können lokalisiert werden als

  • Veränderungen der elektrischen Parameter des Schwingquarzes
  • Veränderungen der Parameter der Oszillatorschaltung

Der erstgenannte Aspekt beinhaltet die Veränderungen der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes durch Temperatur, Temperaturgradient, Alterung, elektrische Belastung und mechanische Belastung, wie Vibration und Stöße von außen. Der zweite Aspekt indes enthält Umwelteinflüsse auf die Bauelemente der Oszillatorschaltung durch Temperatur, Feuchte, Spannungsabhängigkeit und Alterung der elektrischen Parameter sowie die Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen. Gleich welche Ursache für die Phasenabweichung der Schleife verantwortlich ist, die hieraus resultierende Frequenzänderung lässt sich mit Gleichung 1 ermitteln:

left parenthesis 1 right parenthesis thin space space increment over f equals fraction numerator increment phi over denominator 2 times Q subscript e f f end subscript end fraction

Um eine gute Frequenzstabilität zu erreichen, sind also die Phasenänderungen der Schaltung zu minimieren und die effektive Quarzgüte Qeff so groß wie möglich zu halten. Die effektive Quarzgüte ist die durch die Schaltung herabgesetzte (gedämpfte) Schwingungsgüte Q des Schwingquarzes (siehe Gleichung 2); hierbei gilt Reff = R1 + Ri.

left parenthesis 2 right parenthesis space space Q subscript e f f end subscript space equals space fraction numerator 1 over denominator omega times C subscript 1 times end subscript R subscript e f f end subscript end fraction

Unter Ri soll die Summe aller dem Schwingquarz in Reihe liegender Widerstände verstanden werden, z.B. der Innenwiderstand des Oszillatorverstärkers und der Verlustwiderstand des Rückkopplungsnetzwerkes, kurz der reelle Widerstand der Schleife, gemessen an den Quarzanschlusspunkten (Bild  2). Um die Phasenempfindlichkeit der Schaltung klein zu halten, wird die Oszillatorschaltung im Allgemeinen so ausgelegt, dass der verstärkende Teil eine möglichst große Bandbreite hat, der Rückkopplungszweig mit dem Schwingquarz dagegen eine möglichst schmale Übertragungsbandbreite aufweist, damit die Schwingfrequenz im Wesentlichen von den Eigenschaften des Schwingquarzes bestimmt wird.

Insbesondere die obere Grenzfrequenz des Oszillatorverstärkers muss demgemäß wesentlich höher als die Betriebsfrequenz sein. Hierdurch ist die Einsetzbarkeit der häufig als Oszillatorschaltungen benutzten CMOS-, TTL- und ECL-Gatter begrenzt. Mit gleicher Vorsicht sind in Funktions-ICs integrierte Quarzoszillatoren anzuwenden. Klarheit bringt sehr schnell eine Phasenmessung an der am Quarz aufgetrennten Schleife, wobei der Quarz durch einen reellen Widerstand ersetzt wird.

Die Anwendbarkeit eines Quarzoszillators wird bestimmt durch
die Einstellmöglichkeit und die Einstellgenauigkeit der Frequenz auf den Sollwert
Abweichungen der Oszillatorfrequenz durch Änderung der Umgebungstemperatur
die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz von der Betriebsspannung
Beeinflussung der Oszillatorfrequenz durch die Lastimpedanz (Abschlusswiderstand)

  • die Langzeitstabilität
  • die Kurzzeitstabilität

Bei der Zusammenschaltung des Schwingquarzes mit der zugehörigen Oszillatorschaltung ergibt sich entsprechend den zugelassenen Toleranzen eine Abweichung der Oszillatorfrequenz vom Sollwert. Diese Abweichung liegt in der Größenordnung Δf/f = ±20 x 10-6 bis ±100 x 10-6. Ist diese Frequenzgenauigkeit nicht ausreichend, muss die Oszillatorfrequenz durch „Ziehen“ mit einer variablen Lastkapazität CL (Trimmkondensator) auf den Sollwert eingestellt werden. Dieser Trimmkondensator muss also einerseits einen genügend großen Einstellbereich haben, andererseits muss er so fein einstellbar und auch stabil sein, dass die erforderliche Genauigkeit (und auch Stabilität) erreicht wird.

Zur Veranschaulichung soll folgendes Beispiel gelten: Schwingquarz fN = 4 MHz; stat. Kapazität Co = 4,5 pF; dynam. Kapazität C1 = 12 fF (12 x 10–3 pF). Mit dem Nominalwert der Lastkapazität CLN = 30 pF, gebildet aus der Summe der Schaltungskapazitäten (Rückkopplungsnetzwerk) Cs =20 pF und dem Trimmkondensator 4...17 pF, ergibt sich der Variationsbereich der Lastkapazität von CL1 bis CL2 = 25...37 pF.

left parenthesis 3 right parenthesis space space space P R space equals D subscript L 1 L 2 end subscript space equals space fraction numerator increment f over denominator f end fraction
space space space space space space space equals C subscript 1 over 2 times fraction numerator C subscript L 2 end subscript minus C subscript L 1 end subscript over denominator left parenthesis C subscript 0 plus C subscript L 1 end subscript right parenthesis times left parenthesis C subscript 0 plus C subscript L 2 end subscript end fraction

Mit Hilfe der Gleichung 3 erhält man die erreichbare Frequenzvariation Δf/f = ±29 x 10–6 bezogen auf den Nennwert der Lastkapazität CLN = 30 pF. Dieser Wert ist ausreichend, um die angenommene Auslieferungstoleranz (Abgleichtoleranz) der Quarze mit ±20 x 10–6 und die Streuung der Schaltungskapazitäten mit ±2 pF auszugleichen.

Es bleibt noch eine ausreichende Reserve, um später eine Frequenzdrift durch Alterung des Quarzes mit ±5 x 10–6 auszugleichen. Bei einer Einstellgenauigkeit des Trimmers von ΔCL = 0,2 pF erhält man bei der Trimmeranfangsstellung die erreichbare Frequenzeinstellgenauigkeit Δf/f, analog zu Gleichung 4:

left parenthesis 4 right parenthesis space space space fraction numerator increment f subscript l over denominator f end fraction equals space minus fraction numerator C subscript 1 over denominator 2 times left parenthesis C subscript 0 plus C subscript L right parenthesis ² end fraction times increment C subscript L
space space space space space space equals fraction numerator 12 times 10 to the power of negative 3 end exponent over denominator 2 times left parenthesis 4 comma 5 plus 25 right parenthesis ² end fraction times 0 comma 2 space equals space 1 comma 4 times 10 to the power of negative 6 end exponent

Bessere Einstellgenauigkeiten sind erreichbar durch die Verwendung vom Präzisionstrimmern, die Einschränkung der Trimmervariation durch zusätzliche Festkondensatoren, die Anwendung einer größeren Lastkapazität, den Einsatz von Quarzen mit kleinem C1 oder die Verwendung von Obertonquarzen (kleines C1).