Quarzoszillatoren und ihre Anwendungen

Einleitung:

Quarzoszillatoren sind elektronische Schaltungen, die auf einem Schwingquarz basieren, um eine hochstabile Frequenz zu erzeugen. Je nach Anforderungen und Umgebungsbedingungen können Frequenzstabilitäten im Bereich von 10E-5 bis 10E-12 pro Tag erreicht werden. Für alltägliche Anwendungen stehen standardisierte Oszillatorbausteine zur Verfügung, während hochpräzise Oszillatoren für spezielle Anforderungen meist individuell ausgelegt und gefertigt werden.

Oszillatortypen:

Entsprechend internationalen Standards werden Quarzoszillatoren in folgende Kategorien unterteilt:

1. SPXO – Einfache Quarzoszillatoren (Simple Package Crystal Oscillator)
2. VCXO – Spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren (Voltage Controlled Crystal Oscillator)
3. TCXO – Temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (Temperature Compensated Crystal Oscillator)
4. OCXO – Temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (Oven Controlled Crystal Oscillator)
5. LPXO – Low Power Quarzoszillatoren mit Temperaturstabilitäten ab ±0.5ppm über -40/+85°C und mit einer Alterung von ±1x10E-6. 

VCXOs (spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren / voltage controlled quartz oscillators) ermöglichen eine Frequenzsteuerung über eine externe Gleichspannung. Normalerweise werden Sie nur noch zur Synchronisation eines Geräts/Applikation auf ein eingehendes Referenzsignal (Master-Slave-Konzept) oder zu Frequenzmodulation verwendet. Eine Kapazitätsdiode (Varaktor) ersetzt dabei den Trimmkondensator.

Typische Parameter:

• Frequenzziehbereich (Pull Range = zum Beispiel ±50ppm min.)
• Ziehempfindlichkeit (Pullability = zum Beispiel ±10ppm/pF)
• Nichtlinearität der Modulation (zum Beispiel 10% max.)

Beim TCXO wird die Frequenzänderung durch Temperatur kompensiert. Je nach Verfahren kann die Steuerung kann analog (mit Thermistor-Netzwerken) oder digital (mit Sensor, ADC, Speicher und DAC) erfolgen.

TCXOs erleben in der Kommunikations- und Navigationstechnologie eine richtige Renaissance und können aufgrund der von uns verwendeten ICs sehr günstig gefertigt werden. TCXOs die am meisten verbreiteten hochgenauen Quarzoszillatoren und überzeugen durch sehr gutes Phasenrauschen und exzellente Jitter-Werte. Damit sind auch TCXOs die erste Wahl und MEMS Oszillatoren vorzuziehen, wenn sie in Schaltungen mit anschließender Frequenzvervielfachung eingesetzt werden. 

Typische Einsatzgebiete sind GPS-, GLONASS-Applikationen, Smart-Phones, Funkgeräte, IoT, IIoT, Smart-Meter-Applikationen, Router, Messgeräte, etc. 

Erreichbare Frequenzstabilität:

• Typisch <0,5 – 2.5 ppm über -40 – +85 °C

OCXOs arbeiten mit einem beheizten Thermostat, der Quarz und ggf. die Schaltung auf konstanter Temperatur hält. Beim OCXO kann die Thermostattemperatur im Bereich von +85°C liegen. Grundsätzlich liegt die Heiztemperatur nahe dem Umkehrpunkt der Quarz-TK-Kurve. Damit der Quarzresonator so wenig wie möglich Frequenzdrift hat, wird ein Quarz in einem Oberton im OCXO verwendet. Normalerweise im 3. Oder 5. Oberton. Gerade im 5. Oberton ist die dynamische Kapazität C1 (Shunt Capacitance) sehr gering, was das Kompensieren der Quarzfrequenz einfacher macht. 

Es gibt einstufige und zweistufige (Doppel-)Thermostate. Letztere bieten höchste Temperaturkonstanz bei geringeren Frequenzabweichungen. Des weiteren werden je nach benötigter Genauigkeit Quarzresonatoren im AT-, bzw. SC-Schnitt verwendet. SC-Schnitt-Quarze bieten eine viel höhere Frequenzgenauigkeit und eine viel höhere Temperaturstabilität als wie AT-Quarze. 

Typische Genauigkeiten:

• < 1 x 10E-7 (OCXO einfach)
• < 1 x 10E-9 (OCXO doppelt)

OCXO-Einsatz ist wegen Energieverbrauch und Größe meist hochgenauen Anwendungen wie Mobilfunkbasisstationen, GPS-Referenznormale, Messtechnik oder der Telekommunikation vorbehalten.

Zusammenfassung wichtiger Oszillatorparameter

• Nennfrequenz und Toleranz
• Frequenzänderung durch: Temperatur, Spannung, Last, Zeit (Alterung)
• Einlaufverhalten, Kurzzeitstabilität
• Stromversorgung: Spannung, Strom, Welligkeit
• Ausgangssignal: Pegel, Form, Rauschen
• Umweltfaktoren: Temperaturbereich, Schock, Vibration

LPXOs sind ein „Mittelding“ zwischen SPXO und TCXO. LPXOs kommen immer dann zum Einsatz, wenn man entweder einen geringen Stromverbrauch benötigt oder die Frequenztoleranz eines SPXOs zu gering ist, die eines TCXOs aber zu genau. Damit ist ein LPXO auch immer günstiger, als wie ein TCXO.