G-Sensitivity und Phasenrauschen Damit Quarze stabil schwingen

Bild 1: Phase Noise (Frequency Domain) schematisch
Bild 1: Phase Noise (Frequency Domain) schematisch

Phasenrauschen, Phasenjitter und G-Sensitivity: Worauf es beim Einsatz von Schwingquarzen ankommt.

Neben der Frequenzstabilität sind das Phasenrauschen (engl. Phase Noise) und der Phasen-Jitter (Phase Jitter) die wichtigsten elektrischen Eigenschaften von Quarzoszillatoren, die in den Bereichen Messtechnik, Radartechnik, Medizintechnik und Übertragungstechnik eingesetzt werden. Phasenrauschen (Bild 1) und Phasenjitter (Bild 2) sind grundsätzlich gleicher Natur – nur unterschiedliche Betrachtungs- und Darstellungsarten. Das Phasenrauschen betrachtet im Frequenzbereich (Frequency-Domain), was passiert, wenn ein Oszillatorsignal im Zeitbereich (Time-Domain) „jittert“. Das sog. Einseitenband-Phasenrauschen mit der Einheit dBc/Hz ist definiert als die Rauschleistung innerhalb einer Bandbreite von 1 Hz in einem definierten Frequenzabstand fm vom sog. Träger f0, bezogen auf die Oszillator-Signal-Leistung bei f0. Die theoretischen Grundlagen dazu finden Sie im Anhang.

Das Thema Vibrationsempfindlichkeit von Quarzoszillatoren – im Englischen auch „G-Sensitivity“ genannt – war früher eher eine Domäne der militärischen Anwendungen, bei denen Oszillatoren hohen mechanischen Belastungen in Form von Schocks und Vibration ausgesetzt sind. Im Zuge der immer höher werdenden Anforderungen an das Phasenrauschen wird das Thema aber auch bei zivilen Anwendungen immer wichtiger. Leider haben alle piezoelektrischen Schwinger prinzipiell den Nachteil, dass dieser piezoelektrische Effekt auch invers funktioniert, d.h. Quarze reagieren auf äußeren Stress (schnelle Temperaturänderungen, mechanischer Schock oder Vibration) mit einer leichten Deformation des Kristallgitters. Diese Deformation sorgt für eine Veränderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von den auf den Kristall wirkenden Kräften. Auf den Kristall wirken auch Kräfte, wenn er einer Beschleunigung ausgesetzt wird – sowohl bei konstanter Beschleunigung wie der Erdbeschleunigung oder in einer Zentrifuge als auch bei dynamischen Vorgängen wie Schock und Vibration. Bereits der Einfluss der Erdbeschleunigung g kann relative Frequenzänderungen im Bereich 1∙10–10 bis 1∙10–7 hervorrufen. Sie lassen sich mit hochpräzisen und -stabilen Ofenoszillatoren (Ovenized Crystal-Oscillator, kurz OCXO) bei der sog. 2g-Tipover-Messung auch nachweisen. Die Änderung der Frequenz in Abhängigkeit von einer auf den Quarz wirkenden Beschleunigung wird im Englischen „Acceleration-Sensitivity“ oder auch einfach „G-Sensitivity“ genannt und meist in parts per billion (1 ppb = 1∙10–9) pro g (1g = 9,81 m/s2) ausgedrückt. Diese quasistatischen Frequenzänderungen sind für die allermeisten Anwendungen in der Praxis von keiner oder nur von geringer Bedeutung.