Oszillator-KnowHow
1. Einführung
Für Oszillatoren mit besonders hoher Frequenzkonstanz wird als Resonator ein Schwingquarz verwendet, da er sich elektrisch, nahe seiner Resonanzfrequenz, wie ein Schwingkreis mit hoher Güte (Q = 104 bis l06) und geringer Dämpfung verhält. Ein Quarzoszillator besteht aus reinem Siliziumdioxid (SiO2) und wird als Scheibe, Band oder Bälkchen aus einem Quarzkristall herausgeschnitten. Die Schwingfrequenz wird dabei von verschiedenen Kriterien bestimmt, wie z.B. Schnittlage, Dicke der Quarzscheibe, Gehäuse, Temperatur und Spannung.
2. Der Piezoelektrische Effekt
Die Wirkung des Schwingquarzes beruht auf dem piezoelektrischen Effekt. An gegenüberliegenden Flächen des Quarzkristalls treten elektrische Ladungen auf, wenn man den Kristall mechanisch deformiert. Setzt man umgekehrt die Quarzscheibe einem elektrischen Feld aus, so erfährt die Quarzscheibe eine Formänderung (reziproker piezoelektrischer Effekt), die sich als sehr schwach gedämpfte periodische Schwingung fortsetzt. Das Kristallplättchen führt dann als ein in sich elastisches und massenhaftes Gebilde mechanische Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz aus. Bedingt durch den Piezoeffekt tritt eine oszillierende Spannung an den Elektroden auf.
3. Quarzschnitte
Der Quarzschnitt ist die durch Buchstaben gekennzeichnete Lage eines herausgeschnittenen Plättchens zu den Quarzachsen (Bild 1).
Diese Schnitte beeinflussen stark die Resonanzfrequenz und das Temperaturverhalten der Quarze. Je nach Schnittlage der Quarzscheibe zu den Kristallachsen x, y und z tritt außerdem eine bestimmte Schwingungsform auf. Dazu gehören die ,,Dickenscherschwingung\" beim AT-Schnitt und die ,,Flächenscherschwingung\" beim CT- oder DT-Schnitt (Tab. 1).
Der AT-Schnitt deckt Frequenzen von 800 kHz bis 360 MHz ab. Hierzu ist anzumerken, dass ab etwa 24 MHz Obertonquarze verwendet werden. Das bedeutet, dass Quarze nicht nur auf ihren Grundfrequenzen schwingen können sondern auch auf ihren ungradzahligen Vielfachen. Gebräuchliche Oberwellenschwingungen sind die 1., 3., 5., 7. und 9. Oberwelle.
Alle Kristalle haben eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die von der Art des Quarzschnittes vorgegeben ist (Bild 2).
Die Frequenzstabilität wird immer auf einen Temperaturbereich bezogen, meist -200C bis +700C und beträgt typ. ±50 bis ±100 ppm (parts per million = 10-6).
Der AT-Schnitt zeigt dabei die beste Frequenzstabilität bezogen auf diesen Temperaturbereich. Durch eine geeignete Wahl des Quarzschnittwinkels kann die Frequenzabweichung zudem besonders kleingehalten werden (Bild 3).
Die Dicke der Quarzscheibe bestimmt ebenso direkt die Frequenz. Je dünner die Scheibe geschnitten bzw. geschliffen wird, desto höher ist die Schwingfrequenz. Für einen AT-Schnitt-Quarz, der eine Grundfrequenz von 40 MHz hat, darf die Scheibe z. B. nur 42 um dick sein. Frequenzabweichungen sind auf Ungenauigkeiten im Schleifprozess zurückzuführen. Sie sind jedoch äußerst gering und liegen bei typ. ±30 bis ±50 ppm.
Frequenzabweichungen bezogen auf die Alterung liegen bei typ. 13 bis 15 ppm im Jahr.
4. Gehäuse
Das eigentliche Schwingelement, die Quarzscheibe, wird im Gehäuse schwingungsfähig auf einem Sockel befestigt. Zum elektrischen Anschluss hat der Quarz auf beiden Seiten dünne Metallelektroden aufgedampft. Wichtig ist, dass die Scheibe hermetisch durch eine Gehäusekappe verschlossen wird. Entweder befinden sich im Gehäuse Schutzgas oder ein Vakuum. Jede störende Einwirkung auf die mechanischen Schwingungen des Kristalls lässt seinen Serienwiderstand R1 ansteigen und Q abnehmen. Das kann durch Gas oder Luft in der Verschlusskappe hervorgerufen werden oder durch akustische Reflexionen von Ultraschallwellen, die durch den vibrierenden Kristall ausgelöst, vom Gas zu den Gehäusewänden transportiert und von dort zurückgeworfen werden. Diesen Effekt kann man durch ein Vakuum in der Verschlusskappe verhindern. Die Aufhängung und Befestigung des Kristalls ist ebenfalls Bestandteil des Resonanzsystems und muss sorgfältig entworfen werden.
Die Länge der Anschlussdrähte darf nur ein ungeradzahliges Vielfaches von 1/4 der Wellenlänge betragen, um gegenphasige Resonanzen, die mit den Kristallschwingungen interferieren würden, zu vermeiden.
Auch der Verschlussart kommt Bedeutung zu. Eine Möglichkeit ist das einfache Zusammenlöten von Kappe und Boden. Hierbei treten aber Flussmitteldämpfe ins Gehäuseinnere ein. Unreinheiten sind aber zu vermeiden, weil Ablagerungen auf der Quarzscheibe maßgeblich die Frequenzstabilität beeinflussen können. Aus diesem Grund wird meist die Strom- oder Widerstandsverschweißung angewendet. Hierbei werden Kappe und Bodenteil zusammengepresst und mit einem Stromimpuls verschweißt.
Dadurch erklären sich auch die Unterschiede in den Bezeichnungen der Gehäuse. Beispielsweise haben die Typen HC 18 und HC 49 äußerlich die gleichen Gehäuseabmessungen, sie unterscheiden sich aber dadurch, dass der Typ HC 18 zusammengelötet und der Typ HC 49 stromverschweißt ist. Im allgemeinen werden aus Handhabungs- und Kostengründen Metallgehäuse eingesetzt. Ein Nachteil ist jedoch, dass sich im Laufe der Zeit aus der Metallkappe Stoffe lösen und auf dem Quarzkristall niederschlagen können, wodurch sich die Frequenz geringfügig ändern kann. Will man diesen Effekt umgehen, müssen Glaskappen anstelle von Metallkappen verwendet werden. Nachteilig ist hierbei der wesentlich höhere Preis.
5. Elektrisches Verhalten
Das elektrische Verhalten eines Schwingquarzes in der Nähe seiner Resonanzfrequenz kann durch ein einfaches Ersatzschaltbild verdeutlicht werden (Bild 4).
Dabei hängen die Größen C1 und L1 von den Abmessungen des Quarzes ab. Der Widerstand R1 berücksichtigt die Verluste (Dämpfung) und C0 steht für die statische Parallelkapazität (Beläge und Anschlussdrähte). Ein Quarzkristall kann in Serien- und Parallelresonanz betrieben werden. Bei Parallelresonanz (fs) geht der Widerstand des Quarzes gegen R1 und in Serienresonanz (fs) gegen unendlich.
Die wichtigste Angabe bei einem Quarz ist daher die Nennfrequenz. In den meisten Fällen ist dies die Parallelresonanzfrequenz, wobei auch die Lastkapazität CL angegeben wird. Mit dieser Lastkapazität kann man die Herstellungstoleranzen ausgleichen. Es ist sinnvoll, den Ziehkondensator als Trimmer auszulegen. Der Ziehbereich ist allerdings sehr gering und durch fP bis fS begrenzt, da die Lastkapazität fP reduziert.
Die Lastkapazität CL kann parallel oder in Reihe zum Quarz geschaltet werden. Im ersten Fall verschiebt man die Parallel-Resonanzfrequenz, im zweiten Fall die Reihenresonanz-Frequenz.
Wichtig ist, dass die entstehende Lastkapazität CL in beiden Fällen den gleichen Wert aufweist. Wird keine Lastkapazität angegeben, kann man davon ausgehen, dass die Nennfrequenz die Reihenresonanz des Quarzes ist. Wird die Schwingfrequenz durch Ziehkondensatoren verändert, so hängt die Frequenzgenauigkeit und Konstanz auch von diesen Zusatzelementen ab und die elektrischen Eigenschaften des Quarzes verschlechtern sich. Die besten Werte erzielt man daher ohne Veränderung der Eigenfrequenz, wenn der Quarz in Serienresonanz arbeitet, also nur von seinen mechanischen Abmessungen bestimmt ist.
Ebenso muss auf die Strombelastung des Quarzes geachtet werden. Während des Betriebes tritt am Widerstand R1 eine Verlustleistung auf, die den Quarz erwärmt. Das
führt zu einer Frequenzänderung. Soll sie vernachlässigbar bleiben, muss die Verlustleistung gering gehalten werden (typ. 0,5 bis 2 mW). Die Werte für die Strombelastung liegen ca. bei:
I < 50 mA bei Biegungsschwingern
I < l mA bei Längs- und Flächenscherschwingern
I < 3mA/MHz bei Dickenscherschwingern
6. Oszillatoren
Um einen Quarz zum selbstschwingenden Oszillator zu bauen, bedarf es einer schwingfähigen Schaltung (Bild 5).
Dazu benötigt man einen Verstärker in Verbindung mit einem frequenzbestimmenden Rückkopplungsnetzwerk (Quarz). Wegen der besseren Frequenzstabilität ist es zweckmäßig, den Quarz in Serienresonanz zu betreiben. Mit der Einschaltflanke wird der Quarz auf seine Nennfrequenz angestoßen. Infolge der Verstärkung werden die Schwingungsverluste ausgeglichen und die Schaltung schwingt dauerhaft und liefert eine sinusförmige Spannung. Soll eine rechteckförmige Spannung erzeugt werden, so muss eine Amplitudenbegrenzung vorgesehen werden.
Der einfachste Oszillator wird PXO (Package Crystal Oscillator) bezeichnet. Die Frequenzstabilität bei Arbeitstemperatur entspricht in etwa der des Quarzes und beträgt 150 ppm bei -200C bis +700C. Der TCOX (Temperature Compensated Crystal Oscillator) hingegen hat nur eine Frequenzabweichung von 12 ppm bei gleichem Temperaturbereich.
Erreicht wird dies mit passiver Kompensation, wobei über einen temperaturabhängigen Widerstand eine Kapazitätsdiode beeinflusst wird. Diese verändert ihre Kapazität so, dass sie dem im Bild 3 dargestellten Temperaturverhalten des Quarzes entgegenwirkt. Als Anschlüsse hat er wie der PXO lediglich Versorgungsspannung, Masse und Frequenzausgang. Mit einer Einstellschraube lässt sich die Nennfrequenz um min. 13 ppm justieren. Die Versorgungsspannung kann +5 V oder +12 V betragen. Die möglichen Frequenzen sind weit gefächert und können 1 bis 60 MHz betragen. Bei den höherfrequenten Oszillatoren handelt es sich in der Regel um eine sinusförmige Ausgangsspannung. Die beste Frequenzstabilität lässt sich jedoch mit einem OCXO (Oven Controlled Crystal Oszillator erreichen: Max. 0,1 ppm bei -100C bis +600C. Mit der richtigen Wahl des Schnittwinkels legt man die Temperaturkoeffizientenkurve fest. So schneidet die Kurve bei einem Schnittwinkel von 35° die Nullachse. Wird der Quarzoszillator nun mit Hilfe eines Thermostaten genau bei dieser Temperatur betrieben, so ist die Frequenzabweichung nahezu Null. Die Restungenauigkeit ergibt sich aus der Schalthysterese des Thermostaten. Da sich in dem Oszillatorgehäuse eine elektrische Heizung befindet, bringt dies auch Nachteile mit sich. Die Leistungsaufnahme ist hoch und kann während der Heizphase 6 bis 8 W betragen. Außerdem wird eine bestimmte Einlaufzeit benötigt, bis der Arbeitspunkt erreicht wird. Eine Feinjustierung ist auch hier möglich (min 11,5 ppm). Wenn aber die Frequenz veränderbar sein soll, muss ein VCXO (Voltage Controled Crystal Oscillator) verwendet werden. Hier kann mit Hilfe des integrierten Ziehwerks die Nennfrequenz um 50 ppm verändert werden. Der Anwender betätigt auch hier wieder nur einen Trimmer. Die Frequenzstabilität beträgt dabei 15 ppm bei -10 bis +500C und kommt dem TCXO schon recht nahe.
Eine ganz andere Problematik stellt sich bei Systemen, die Wahlmöglichkeit verschiedener Frequenzen ermöglichen müssen, z. B. bei Datenübertragungssystemen mit verschiedenen Baud-Raten. Während bei der traditionellen Lösung nur eine Frequenz (Takt) zur Verfügung stand, die hardwaremäßig mit Hilfe eines Baudratenteilers verändert werden konnte, bieten Mehrfrequenzoszillatoren kompaktere Lösungen Bild 6).
Die Grundfrequenz des Oszillators wird direkt auf den Ausgang F (Fundamental) und auf den Teiler geführt. Im Teiler wird die Frequenz 8mal durch zwei geteilt und jeweils auf den Auswahlblock geführt. Von dort aus wird, in Abhängigkeit des an den Eingängen A,B und C angelegten 3-Bit-Datenwortes, die jeweilige Frequenz an den Ausgang D gelegt. Wird beispielsweise an A, B und C ein High Signal angelegt, dann wird die Grundfrequenz durch 256 geteilt und ausgegeben.
Der ST-Eingang (Standby Terminal> dient als Freigabe. Ist ST High, dann arbeitet der Baustein wie beschrieben. Wenn er jedoch Low ist, dann liegen die Frequenzausgänge F und D ebenfalls auf Low. Eingebaut ist der Mehrfrequenzoszillator in ein 8-poliges DIL-Gehäuse und kann mit 3 bis 6V Betriebsspannung betrieben werden.