OCXOs versus TCXOs Quarzoszillatoren: Im Ofen stabilisiert

In den vergangenen Jahren waren temperaturkompensierte Quarzoszillatoren - TCXOs - das große Thema. Sie eignen sich zwar für die meisten Anwendungen sehr gut, aber wenn von einem Quarzprodukt Höchstleistungen verlangt werden, dann sind ofenstabilisierte Quarzoszillatoren, OCXOs, schwer zu schlagen.

Ein »normaler« Quarzkristall besitzt über den Betriebstemperaturbereich eine typische Frequenzstabilität von ±30 ppm (±30x10-6), ein hochwertiger TCXO weniger als ±0,5 ppm (±0,5x10-6). Bei OCXO liegt der Stabilitätswert im ppb-Bereich - ein deutlicher Unterschied. Der »IQOV-90« von IQD FOQ mit einer Frequenzstabilität von ±5 ppb (±5x10-9) ist ein typisches Beispiel für moderne OCXOs.

Seine wesentlichen Merkmale sind ein kleines, für SMD-Bestückung geeignetes Gehäuse, der Einsatz eines Kristalls mit AT- oder SC-Schnitt, was von der jeweils erforderlichen Leistung abhängig ist, niedriges Phasenrauschen, eine Auswahl von möglichen Versorgungsspannungen, wenig Alterung und eine optionale Alarmfunktion. Der AT-Schnitt kommt bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen der Oszillator einen großen Temperaturbereich abdecken muss, wie zum Beispiel in militärischen und industriellen Anwendungen.

Werden bei OCXOs Kristalle mit AT-Schnitt verwendet, wird der obere Umkehrpunkt der Kristalle genutzt, der gewöhnlich bei +85 °C liegt. Die Oszillatorschaltung ermöglicht es, das Bauteil genau auf den Umkehrpunkt des jeweils benutzten Kristalls einzustellen. Es ist dabei zu beachten, dass sich die Umkehrpunkte von Kristallen in einem Los leicht unterscheiden können.

Um eine gewisse Toleranz zuzulassen, wird ein Oszillator gewöhnlich 10 K unterhalb des Kristallumkehrpunktes betrieben. Das heißt, ein Kristall mit einem Umkehrpunkt von +85 °C wird nur bis zu einer Temperatur von +75 °C eingesetzt. Beim SC-Schnitt (Stress Compensated) hat, wie sein Name andeutet, der Kristall ein geringeres Spannungsniveau als beim AT-Schnitt. Damit ergibt sich eine bessere Alterung (Langzeitleistung) und Belastbarkeit gegenüber höheren Kristallsteuersignalen, da aufgrund geringerer Reibung weniger mechanische Spannung und Wärme erzeugt werden.

Der SC-Schnitt hat im Hinblick auf die OCXO-Produktion den besonderen Vorteil, dass der Umkehrpunkt viel höher liegt als bei Kristallen mit AT-Schnitt, gewöhnlich bei +92 °C. Sie sind bei diesen hohen Temperaturen im Wesentlichen flach. Das bedeutet, es lassen sich leichter Oszillatoren herstellen, die bis zu +80 °C und +85 °C einsatzfähig sind. Daraus folgt, dass Kristalle mit SC-Schnitt für die Produktion von OCXOs bessere Alterungseigenschaften, bessere Tauglichkeit bei höheren Temperaturen und eine höhere Signalbelastbarkeit bieten als Kristalle mit AT-Schnitt.

Backrezepte

Im Zusammenhang mit den technischen Eigenschaften des IQOV-90 gibt es auch einige Besonderheiten, die zu beachten sind. Selbstverständlich ist der Quarzkristall das Kernstück des Produktes; als Ausgangssignalform können Sinus oder HCMOS mit einer Last von 50 Ω spezifiziert werden. Ein wesentliches Merkmal eines jeden OCXOs ist die Stromaufnahme.

Um den Kristall permanent bei einer Temperatur von +85 °C oder höher zu betreiben, ist Energie erforderlich. Dies wird durch eine proportional geregelte Ofensteuerung mit Leistungstransistoren, um den Kristall zu erwärmen, und einen Temperaturfühler (beispielsweise ein Thermistor) realisiert, um die Temperatur über eine Brückenschaltung einzustellen, die sich bei Erreichen der exakten Temperatur des Umkehrpunkts des Kristalls »angleicht«.

Der Kristall ist meist in einem Hohlraum untergebracht, zusammen mit anderen temperaturempfindlichen Komponenten, wie zum Beispiel den Abstimmkondensatoren, um Beeinträchtigungen durch externe Temperaturschwankungen zu minimieren. Auch wenn die mit einer sehr hohen Stabilität verbundenen Vorteile ihren Preis haben, ist jedoch festzustellen, dass bei einer Spannungsversorgung von 12 V die anfängliche Stromaufnahme beim Einschalten 300 mA beträgt, dieser dann aber nach Stabilisierung auf etwa 120 mA zurückgeht. Die Produkte sind dementsprechend nicht für Batteriebetrieb ausgelegt.

Über den Autor:

Harriet Charles ist Marketing Executive bei IQD.