Quarzoszillatoren
Vorteile und Unterscheidungsmerkmale von OCXOs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
OCXO-Layout hat massiven Einfluss auf die Qualität
In der Entwicklungsphase wird den thermodynamischen Eigenschaften des Layouts besondere Beachtung geschenkt, um die Qualität auf ein Höchstmaß zu steigern. Dazu zählen auch solche Designerwägungen wie die Positionierung der Heizelemente und der Abgleichelemente sowie auch die Art der internen Isolierung. In der Vergangenheit wurden bei OCXOs, deren Qualität nicht so gut war wie die der heutigen Generation, oft Vakuum-Isoliergefäße verwendet, da dies die bestmögliche Isolierung darstellte.
Wie bereits ausgeführt, ist der wichtigste Parameter eines OCXO seine Stabilität über der Temperatur, und der IQOV-164 von IQD ist ein Beispiel, wie sich OCXOs in den letzten Jahren weiterentwickelt haben: Er ist mit einer Stabilität von ±0,2 ppb (0,2 ∙ 10–9) über den Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C ausgewiesen. Untergebracht ist er in einem Standard-5-Pin-Euro-Gehäuse mit 36 × 27 mm² Grundmaß. Zwei wichtige Punkte, die man beim Einsatz eines OCXO beachten muss, sind seine Verlustleistung sowie seine Aufwärmzeit. Im Falle des IQOV-164 kann dieser Wert bis auf 7 W in der Aufwärmperiode hochlaufen und fällt dann, nachdem der Quarz seine Umkehrpunkttemperatur erreicht hat, auf ungefähr 2 W ab.
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Einer der Hauptvorteile bei der Spezifizierung eines OCXO liegt in seinem inhärent guten Phasenrauschen. Weil die Quarztemperatur konstant gehalten wird, ergibt sich ein offenkundiger Vorteil gegenüber einem Standardoszillator, bei dem der Schwingquarz einer großen Temperaturänderung unterworfen ist. Zu den besten derzeit weltweit erhältlichen OCXOs zählt IQDs IQOV-200F-Familie, welche bei eine Frequenz von 100 MHz einen Noise Floor von –182 dBc/Hz @ 1 MHz Offset aufweist (Bild 4).
Ein weiterer wichtiger Aspekt der OCXO-Qualität sowohl für den Hersteller als auch für den Anwender ist die Alterungsrate. Im Allgemeinen unterzieht der Hersteller den Oszillator über einen Zeitraum von 30 Tagen einer Voralterung, damit dieser die spezifizierten Daten erreicht. Dann wird der OCXO an den Kunden ausgeliefert. Man sollte darüber hinaus nicht vergessen, dass SC-Schnitt-Quarze eine wesentlich geringere Alterungsrate als AT-Schnitt-Quarze zeigen – sie sind jedoch beträchtlich teurer in der Herstellung.
Wechselwirkungen zwischen Betriebs- und Umgebungstemperatur
Eine wichtige Betrachtung beim Einsatz von OCXOs ist das Zusammenspiel zwischen dem Betriebstemperaturbereich des Oszillators und der Umgebungstemperatur. Wenn die erwartete maximale Umgebungstemperatur bei z.B. +70 °C liegt, dann sollte der Oszillator für den Betrieb bis mindestens +75 °C spezifiziert werden.
Wenn der Oszillator feststellt, dass die Temperatur den Wert für den eingestellten Umkehrpunkt überschreitet, kann die Regelung nicht mehr arbeiten und die Temperatur am Quarz steigt weiter an. Dadurch ergibt sich dann eine Frequenzänderung, die proportional zum unbeheizten Quarz oberhalb des Umkehrpunkts verläuft und die mehrere ppm betragen kann. Im Endeffekt heißt das, dass auf jedwede Wärmequellen, welche den Oszillator extern umgeben, geachtet werden muss. Außerdem müssen die Luftströmung rund um die Leiterplattenbaugruppe berücksichtigt und eine Methodik zu deren Minimierung gefunden werden.
Bei einem OCXO mit einer derart hohen Qualität ist es ratsam, dass der Oszillator ständig im eingeschalteten Zustand belassen wird, weil der Ein- und Ausschaltvorgang zu unterschiedlichen Frequenz-Einlaufverhalten führen kann (Stichwort: Retrace). Eine der wesentlichsten Überlegungen bei der Spezifizierung eines OCXO sind die Kosten: Die Hauptkostentreiber in einem OCXO sind dabei die Frequenzstabilität und das Phasenrauschen. Erwähnenswert in diesem Zusammenhang ist, dass die Kosten für einen OCXO zwischen 62 und 1240 Euro schwanken können und von der jeweiligen Spezifikation abhängen. Man könnte abschließend nun argumentieren, dass in vielen Situationen ein TCXO den Vorzug erhalten sollte, da für ihn Gesichtspunkte wie Gehäusegröße und Leistungsbedarf sprechen. Dort aber, wo ein Höchstmaß an Genauigkeit gefordert ist, wird man sich für einen OCXO entscheiden, da Parameter wie Temperaturstabilität, Phasenrauschen und Alterung von einem TCXO nur bedingt erfüllt werden können.
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