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11-2012

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HF-Praxis 11/2012

Quarze Auswahl von

Quarze Auswahl von Quarzen – (k)ein Problem!? Immer mehr Funkanwendungen gelangen auf den Markt. Quarzoszillatoren sind üblicherweise wichtige Komponenten moderner Elektronik, wobei die Quarzauswahl mit über die Leistungsfähigkeit dieser Baugruppen entscheidet. Es ist daher wichtig, zu verstehen, wie ein Quarz funktioniert und worauf es bei der Auswahl ankommt. Ing. Frank Sichla Bild 1: Übliches Ersatzschaltbild eines Quarzes Es gibt aus Praktiker-Sicht bekanntlich zwei Grundtypen von Quarzen: Grundwellen- und Oberwellenquarze. Der Aufbau ist prinzipiell gleich, jedoch sind die Oberwellenquarze für die Erregung auf der dritten, fünften oder siebten Grundwellenfrequenz optimiert (z.B. als Gabelschwinger). Sie arbeiten dabei besser als ein reiner Grundwellenquarz (Dehnungs- oder Biegungsschwinger), mit dem dies grundsätzlich auch möglich ist. Achtung bei HF-Schaltungen! Während man bei der Auswahl von Mikrocontroller-Quarzen nicht besonders penibel sein muss, sollte man bei reinen HF- Schwingschaltungen sehr sorgsam vorgehen. Ein Quarz bietet eng nebeneinander eine Parallelund (darüber) eine Serienresonanz. Welche von beiden ausgenutzt wird, erkennt man daran, wie der Quarz in die Rückkopplungsschleife eingesetzt wird: Wird am stärksten rückgekoppelt, wenn der Quarz einen geringen oder hohen Widerstand präsentiert? Liegt der Quarz nur an der Steuerelektrode des aktiven Bauelements, dann wird z.B. die Parallelresonanz genutzt. Oberwellenerregung erfolgt in der Regel durch Ausnutzung der Serienresonanz. Bild 2: Scheinwiderstandsverlauf eines Quarzes mit Serienresonanz f S und Parallelresonanz f P Ein Quarzoszillator verspricht nicht nur eine hohe Frequenzstabilität, sondern auch geringstes Eigenrauschen. Das ist in der Analogtechnik ein oft sehr wichtiger Punkt, für Taktanwendungen jedoch in gewissen Grenen vernachlässigbar. Es gibt viele Grundkonzepte für Schwingschaltungen. Bewährt, weil relativ unkritisch in der Dimensionierung und gut in den Ergebnissen, sind die Schaltungen nach Colpitts (Parallelresonanz) und Pierce (Reihenresonanz). Stets wirken äußere Kapazitäten ein wenig frequenzbestimmend mit. Die Hersteller geben ihre Nennfrequenz daher für eine bestimmte „Bürdekapazität“ an. Durch eine äußere Kapazität kann man einen Quarzoszillator in der Frequenz „ziehen“. Für hohe Stabilität sollte der Quarz durch die Schaltung möglichst wenig belastet werden, denn das bedeutet eine geringe Temperaturentwicklung im Quarz. Grundsätzlich sollte man jeden Gleichstromfluss durch einen Koppelkondensator unterbinden. Universelle Konzepte, in denen „jeder“ Quarz schwingt, sind mehr als eine Größenordnung instabiler als sorgfältig bemessene Schaltungen, die auf den eingesetzten Quarz abgestimmt wurden. Feldeffekttransistoren bieten oft Vorteile gegenüber bipolaren Transistoren. Typen und Stabilität Man verwendet üblicherweise folgende Bezeichnungen für Quarzoszillatoren: • XO oder PXO = einfacher Oszillator, Crystal Oscillator oder Package Crystal Oscillator • VXO = gezogener Oszillator, Variable XO • VCXO = spannungsgesteuerter Oszillator, Voltage-Controlled XO • TCXO = temperaturkompensierter Oszillator, Temperature-Compensated XO • OCXO = temperaturstabilisierter Oszillator (Quarzofen, Thermostat), Ovenid XO 12 hf-praxis 11/2012

Quarze Bild 3: Ersatzschaltbild mit äußerer Lastkapazität Bild 4: Oszillator-Grundprinziup Der VCXO kann leider die in der Funktechnik benötigte Stabilität kaum bieten. Der (P)XO ermöglicht wenige ppm/K Stabilität, also vielleicht 30 Hz/K bei 10 MHz (3 ppm/K). Mit dem TCXO ist ungefähr 0,5 ppm/K erreichbar (also z.B. 5 Hz/K bei 10 MHz). Mit dem OCXO dagegen sind Spitzen-Stabilitätswerte möglich, die von (P)XO und TCXO nicht bieten können. Qaurze für rfPIC-Mikrocontroller Moderne Mikroprozessoren vom Typ rfPIC haben gleich einen Senderteil für 290....890 MHz on board. Im Fall der Sendefrequenz 318 MHz z.B. ist ein Quarz mit der Frequenz 318 MHz/32 = 9,9375 MHz erforderlich. Diesen gibt es nicht als Standard, er muss angefertigt werden. Der Quarzhersteller will dazu meist einige weitere Fragen beantwortet wissen: • Soll der Quarz auf der Grundoder der Oberwelle schwingen? • Soll der Quarz in Serien- oder Parallelresonanz betrieben werden? • Welche Frequenztoleranz ist zulässig? • Welche Temperaturstabilität wird gewünscht? • Welcher Einsatztemperaturbereich ist gefordert? • Welche Halterung soll es sein? • Welche Lastkapazität liegt vor? • Soll die Frequenz „ziehbar” sein (Pullability). • Welcher ESR ist erforderlich? • Welche Spannungsbelastung soll zulässig sein? Man kann diese Fragen beantworten, wenn man das Ersatzschaltbild eines Quarzes kennt und weiß, wie die Oszillatorschaltung arbeitet. Das Quarz-Ersatzschaltbild Bild 1 zeigt das Quarz-Ersatzschaltbild. Das Vorhandensein von zwei Kapazitäten ist die Ursache dafür, dass es eine Serien- und eine Parallelresonanz gibt. C1, L1 und R1 (der Ersatz-Serienwiderstand, ein Teil davon ist der Equivalent Series Resistance ESR!) werden als Motional Arm bezeichnet. Dieser repräsentiert das mechanische Verhalten des Quarzes. C0 hingegen ist tatsächlich als elektrische Parasitärkapazität insbesondere des Quarzhalters vorhanden. Man kann dieses Ersatzschaltbild in Richtung Obertonresonanzen und Nebenresonanzen verbessern. Bei hochwertigen Quarzen sind diese zwei- bis dreimal kleiner als die primären Resonanzen und können vernachlässigt werden. C1 ergibt sich durch alle wesentlichen mechanischen Kennzeichen des Quarzes, ist extrem klein und liegt im Femtofarad- Bereich (10E-3 pF). L1 steht in erster Linie für die Vibrationseigenschaften und misst je nach Quarzfrequenz einige Millihenry bis etwa ein Henry. R1 repräsentiert die Verluste im Quarz. Für MHz-Quarze ist er mit 10 Ohm bis einige 100 Ohm zu veranschlagen. Die Shunt-Kapazität C 0 liegt bei 3...7 pF. Ein typisches Beispiel In einem Quarz-Datenblatt kann man beispielsweise folgende Angaben finden: • Frequenz 8.000 kHz • Betriebsweise: Grundwelle (fundamental) • Lastkapazität (Bürde) 13 pF • Shunt-Kapazität max. 7 pF • ESR max. 100 Ohm Übrigens wird durch Angabe der Frequenz in kHz gern auf den Grundwellenbetrieb hingewiesen und durch Angabe in MHz auf den Oberwellenbetrieb. Untersucht man diesen Quarz näher, kommt man auf folgende Werte des Ersatzschaltbilds: • Shunt-Kapazität 4,5 pF • C1 0,018 pF • L1 22 mH • R1 30 Ohm Errechnung der Resonanzen Mit den Werten für L1 (22 mH), C 0 (4,7 pF) und C1 (0,018 pF) kann man nun Serien- und Parallelresonanz (auch Anti-Resonanz Bild 5: Oszillator-Blockschaltbild mit Anpassgliedern Bild 6: Prinzipschaltung des Colpitts-Quarzoszillators hf-praxis 11/2012 13

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