Herzlich Willkommen beim beam-Verlag in Marburg, dem Fachverlag für anspruchsvolle Elektronik-Literatur.


Wir freuen uns, Sie auf unserem ePaper-Kiosk begrüßen zu können.

Aufrufe
vor 4 Jahren

11-2012

  • Text
  • Bild
  • Microwave
  • Agilent
  • Quarz
  • Anwendungen
  • Frequency
  • Engineers
  • Quarze
  • Fieldfox
  • Wireless
  • Mikrowellentechnik
HF-Praxis 11/2012

Quarze Bild 7:

Quarze Bild 7: Prinzipschaltung des Pierce-Quarzoszillators f a genannt) errechnen. Dazu dient bekanntlich die Thomson´sche Schwingkreisformel. Für die Serienresonanz vernachlässigt man C 0 und erhält 7.997837 kHz. Der ESR ist der sich dabei ergebende Resonanzwiderstand. Für die Parallelresonanz setzt man die Gesamtkapazität an, die sich durch Reihenschaltung von C 0 und C1 ergeben würde. Sie ist unwesentlich kleiner als C1, somit ist diese Frequenz unwesentlich größer: 8.013816 kHz. Bild 2 zeigt die Resonanzkurve dieses Quarzes. Der Scheinwiderstand wird dabei als prozentuale Abweichung vom „Weitab- Wert“ dargestellt. Dieser Verlauf lässt sich praktisch nicht erreichen. In der Praxis gesellt sich die unvermeidliche parasitäre Parallelkapazität C L hinzu – siehe Bild 3. Man muss sie bei der Parallelresonanz berücksichtigen (zu C 0 hinzuaddieren). Das rückt diese Resonanz näher an die Serienresonanz heran. Beide Berechnungen sind - wie die Ersatzschaltbilder - Vereinfachungen. Man erkennt das, wenn man C 0 oder C L in Gedanken sehr groß werden lässt. Praktisch ist der ESR auch kleiner als R1, darf also mit diesem nicht verwechselt werden. Lt. Ersatzschaltbild müsste ESR = R1 gelten. Insbesondere beim „Ziehen“ (Hinzufügen eines äußeren Blindwiderstands, meist in Form einer kleinen Kapazität in Reihe) zeigt sich die Begrenztheit von Berechnungen. Hier sind Experimente dienlicher. Man findet schnell einen Bereich praktisch nutzbarer Variation, denn die Temperaturstabilität sinkt mit jedem gezogenen Kilohertz. Verluste und Güte Diese Größen hängen direkt zusammen. Während der ESR der Serien-Resonanzwiderstand ist, errechnet man die Verluste mit R1: P = UE2/R1. Hat die Serien-Resonanzspannung beispielsweise den Wert 0,12 V (effektiv) und misst R1 65 Ohm, so beträgt die Verlustleistung 0,22 mW. Es ist zu empfehlen, statt der Spannung mit einer Oszilloscope Current Probe den Strom zu messen und P = IE2 x R zu rechnen. Auch die Güte lässt sich über R1 ermitteln. Bei Kondensator und Spule ergibt sie sich bekanntlich als Verhältnis von Blindwiderstand zu Serien- Verlustwiderstand bzw. als Verhältnis von Reihen-Verlustwiderstand zu Blindwiderstand. Dies lässt sich auf den Quarz übertragen: Q = XL1/R1 = 1/(XC1 x R1) Die Blindwiderstände werden für die Arbeitsfrequenz mit den bekannten Formeln berechnet. Man findet die Güte normalerweise im Datenblatt. Standardquarze haben Werte von 20.000 bis 200.000. Das ist ungefähr das Tausendfache eines LC-Kreises. Daher rührt auch die hohe Frequenzstabilität von Quarzoszillatoren. Quarzoszillator-Grundlagen In Oszillatorschaltungen ist der Quarz das „Filter» im Rückkopplungszweig (Bild 4), wobei auf besondere Anpassungsmaßnahmen (Coupling Network in Bild 5) oft verzichtet werden kann. Wird die Serienresonanz ausgenutzt, liegt der Quarz längs zwischen Ausgang und Eingang des aktiven Elements. Nutzt man die Parallelresonanz, liegt der Quarz in der Regel zwischen Eingang und Masse. Es gibt eine Reihe von Qualitätskriterien der Quarzoszillatoren. Hier die wichtigsten: • Temperaturstabilität der Frequenz • Langzeitstabilität der Frequenz • Stabilität der Amplitude • Rauschen • Einschwingzeit (Start-up- Time) In der Colpitts-Schaltung nach Bild 6 schwingt der Quarz in Parallelresonanz. Je größer das Verhältnis C3/C2, umso weniger gehen die Transistorkapazitäten ein. Am Quarz ist die Kurvenform optimal (Sinus), und das Rauschen minimal. Man hat beim Colpitts-Oszillator die Möglichkeit, dieses Signal direkt auszukoppeln. Die Rauschbandbreite ist dann meist kleiner als 100 Hz und die zweite Oberwelle um etwa 60 dB gedämpft. Natürlich ist die Amplitude infolge der kapazitiven Spannungsteilung gering. Bild 7 zeigt das Prinzip der Pierce-Oszillatorschaltung. Der Quarz arbeitet in Serienresonanz. C2 ist die Ausgangs-, C3 die Eingangskapazität des Transistors. Der Vorteil dieser Schaltung besteht in der recht hohen Ausgangsamplitude. Daher nutzt man sie oft zur Ansteuerung von Gattern. Die Transistorkapazitäten und Parasitärkapazitäten bewirken eine Anweichung der Phasenverhältnisse vom Idealzustand. Dies ist in Bild 8 beispielsweise dargestellt. Der Quarz wird durch die Kapazitäten bzw. die nicht ideale Phaseninversion des Transistors ein wenig gegenüber der Serienresonanz verstimmt und zeigt sich leicht induktiv. Oberwellen-Quarzoszillatoren Da die Grundwellenerregung aus technischen Gründen bei etwa 25 MHz ihr Ende findet, ist man für höhere Frequenzen gezwungen, auf einer Oberwelle zu erregen. Im Gegensatz zu einem normalen Schwingkreis kann ein Quarz auch auf der zweiten, vierten oder sechsten Oberwelle (bzw. der dreifachen, fünffachen oder siebenfachen Grundwelle) erregt werden. Das übliche Quarz-Ersatzschaltbild gilt daher nur für die Umge- Bild 8: Zum Einfluss der parasitären Kapazitäten 14 hf-praxis 11/2012

Quarze bung der Grundwelle. Ein Quarz funktioniert nun einmal nicht auf Basis der Resonanz von L und C, sondern auf Basis von mechanischer Resonanz. Mit der Höhe der erregbaren Oberwellen sinkt die Selektivität; die Resonanzkurve ist weniger ausgeprägt. Damit ist ein Quarz sehr gut z.B. mit einer kurzgeschlossenen Viertelwellen-HF-Leitung vergleichbar, wo sich ebenfalls bei Verdreifachung, Verfünffachung oder Versiebenfachung der Frequenz das gleiche Verhalten zeigt (Impedanz-Maximum), nur infolge der höheren Dämpfung nicht mehr so ausgeprägt wie bei niedrigster Frequenz. Zur Ausnutzung einer Oberwelle ist grundsätzlich das Einfügen eines Schwingkreises in die Oszillatorschaltung erforderlich. In aller Regel wird dieser für die gewünschte Frequenz ausgelegt. (Auch ein „Sperrkreis“ für die Grundwelle wäre möglich.) Es zeigt sich in der Praxis, dass der LC-Schwingkreis die Frequenz mehr oder weniger stark mitbestimmt, auch wenn er im Ausgangskreis des Transistors liegt. Man kann also auch hier von einer Art Zieheffekt sprechen. Daher sollten solche Schaltungen gut erprobt werden. Die Eingangskapazität der nachfolgenden Stufe ist einzubeziehen! Man hat nun natürlich eine gewisse Korrekturmöglichkeit für die Frequenz, sollte diese aus Stabilitätsgründen aber keinesfalls strapazieren. Oberwellenquarze arbeiten standardmäßig ausschließlich in Serienresonanz. Zusammengefasst Es gibt eine Menge zu lernen über Quarze und Quarzoszillatoren. Hier konnten nur Grundlagen wiederholt werden. Mit Blick auf modernste Produkte, die Mikroprozessortechnik und Funktechnik vereinen, wie die Empfehlenswerte Literatur rfPIC-Bausteine, ist es sinnvoll, sich eingehender mit der klassischen Thematik der Quarze und Quarzoszillatoren zu beschäftigen. Das Literaturverzeichnis gibt dazu Anstöße. R. W. Rhea: Oscillator Design and Computer Simulation, 2nd Edition, Noble Publishing, Atlanta, GA, 1995 M. E. Frerking: Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation, Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1978 R. J. Matthys: Crystal Oscillator Circuits, Revised Edition, Krieger Publishing Company, Malabar, FL, 1992 S. Bible: Crystal Oscillator Basics and Crystal Selection for rfPIC and PICmicro Devices, Microchip Application Note AN826 (Quelle Bild 1, 3…8)) Frequency Control Devices: www.ieee-uffc.org A. Dearn: How to Design RF Circuits – Oscillators, als pdf im Internet B. Neubig, W. Briese: Das große Quarzkochbuch, Franzis-Verlag 1997, als pdf kapitelweise komplett unter www. axtal.com/info/buch.html (Quelle Bild 2) Quarze und Quarzoszillatoren wurden und werden jedoch ständig weiterentwickelt. Die Leistungsfähigkeit modernster Produkte sollte man kennen. FS Munich, Germany - November 28 ADF AND GERMAN USER GROUP MEETING 2012 EUROPE The AWR Design Forum is an open event for designers of microwave and RF circuit and systems such as MMIC, RFIC, RF PCB, modules and communication systems to come together to learn about AWR’s latest products and technologies as well as to network and collaborate on industry issues and trends. For event details and registration: www.awrdesignforum.com hf-praxis 11/2012 15

Fachzeitschriften

4-2019
3-2019
1-2019
1-2019
2-2019

hf-praxis

3-2019
2-2019
1-2019
Best_Of_2018
12-2018
11-2018
10-2018
9-2018
8-2018
7-2018
6-2018
5-2018
4-2018
3-2018
2-2018
1-2018
EF 2018/2019
12-2017
11-2017
10-2017
9-2017
8-2017
7-2017
6-2017
5-2017
4-2017
3-2017
2-2017
1-2017
EF 2017/2018
12-2016
11-2016
10-2016
9-2016
8-2016
7-2016
6-2016
5-2016
4-2016
3-2016
2-2016
1-2016
2016/2017
12-2015
11-2015
10-2015
9-2015
8-2015
7-2015
6-2015
5-2015
4-2015
3-2015
2-2015
1-2015
12-2014
11-2014
10-2014
9-2014
8-2014
7-2014
6-2014
5-2014
4-2014
2-2014
1-2014
12-2013
11-2013
10-2013
9-2013
8-2013
7-2013
6-2013
5-2013
4-2013
3-2013
2-2013
12-2012
11-2012
10-2012
9-2012
8-2012
7-2012
6-2012
4-2012
3-2012
2-2012
1-2012

PC & Industrie

4-2019
3-2019
1-2-2019
EF 2019
12-2018
11-2018
10-2018
9-2018
8-2018
7-2018
6-2018
5-2018
4-2018
3-2018
1-2-2018
EF 2018
EF 2018
12-2017
11-2017
10-2017
9-2017
8-2017
7-2017
6-2017
5-2017
4-2017
3-2017
1-2-2017
EF 2017
EF 2017
11-2016
10-2016
9-2016
8-2016
7-2016
6-2016
5-2016
4-2016
3-2016
2-2016
1-2016
EF 2016
EF 2016
12-2015
11-2015
10-2015
9-2015
8-2015
7-2015
6-2015
5-2015
4-2015
3-2015
2-2015
1-2015
EF 2015
EF 2015
11-2014
9-2014
8-2014
7-2014
6-2014
5-2014
4-2014
3-2014
2-2014
1-2014
EF 2014
12-2013
11-2013
10-2013
9-2013
8-2013
7-2013
6-2013
5-2013
4-2013
3-2013
2-2013
1-2013
12-2012
11-2012
10-2012
9-2012
8-2012
7-2012
6-2012
5-2012
4-2012
3-2012
2-2012
1-2012

meditronic-journal

1-2019
5-2018
4-2018
3-2018
2-2018
1-2018
4-2017
3-2017
2-2017
1-2017
4-2016
3-2016
2-2016
1-2016
4-2015
3-2015
2-2015
1-2015
4-2014
3-2014
2-2014
1-2014
4-2013
3-2013
2-2013
1-2013
4-2012
3-2012
2-2012
1-2012

electronic fab

1-2019
4-2018
3-2018
2-2018
1-2018
4-2017
3-2017
2-2017
1-2017
4-2016
3-2016
2-2016
1-2016
4-2015
3-2015
2-2015
1-2015
4-2014
3-2014
2-2014
1-2014
4-2013
3-2013
2-2013
1-2013
4-2012
3-2012
2-2012
1-2012

Haus und Elektronik

2-2019
1-2019
4-2018
3-2018
2-2018
1-2018
4-2017
3-2017
2-2017
1-2017
4-2016
3-2016
2-2016
1-2016
4-2015
3-2015
2-2015
1-2015
4-2014
3-2014
2-2014
1/2014
4-2013
3-2013
2-2013
1-2013
4-2012
3-2012
2-2012
1-2012

Mediadaten

2019 deutsch
2019 english
2019 deutsch
2019 english
2019 deutsch
2019 english
2019 deutsch
2019 english
2019 deutsch
2019 english
© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel