11-2018

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Die verschiedenen Typen von Quarzoszillatoren In diesem Beitrag werden die verschiedenen Ausprägungen von Quarzoszillatoren näher vorgestellt. Es handelt sich um den unkompensierten Oszillator (Crystal Oscillator, XO), den spannungsgesteuerten Quarzoszillator (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), den temperaturgeregelten Quarzoszillator (Temperature Controlled Crystal Oscillator, TCXO) und den Quarzofen (Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO). Diese Oszillatortypen unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Frequenzstabilität. Hier muss man zunächst zwischen Alterung (Aging) und Kurzzeitstabilität (Short-term Stability) unterscheiden. Die Angabe erfolgt in der Regel in ppm (parts per million) mit Bezug auf ein Jahr beim Aging und mit Bezug auf Auslieferungswert bei 25 °C, Temperaturänderung, ausgehend von 25 °C, Speisespannungsänderung im zulässigen Bereich sowie Laständerung im zulässigen Bereich. Die Vorzeichen +/- sind meist entbehrlich, denn bei solch kleinen Änderungen wird nicht zwischen positiver und negativer Abweichung unterschieden, +/- ist also immer anzunehmen. Die Alterung hat mehrere Ursachen, wie Massenverschiebungen, Kräfteänderungen, elektrische Beanspruchung (Drive Level), DC-Bias und Umgebungstemperatur. Die Kurzzeitstabilität wird in erster Linie durch die Temperaturänderung als Folge des Betriebs und des Einwirkens der Umgebungstemperatur verursacht. Hierbei wirken die verschiedenen Einflüsse zum Teil sich gegenseitig kompensierend. Es ist für eine gerechte Beurteilung des Oszillators wichtig, die Kurzzeitstabilität im Verhältnis zum Betriebstemperaturbereich zu sehen, man könnte die ppm-Angabe mit dem Kelvin-Bereich dazu ins Verhältnis setzen. Je kleiner das Verhältnis, umso temperaturstabiler der Quarz. Der unkompensierte Oszillator In der Praxis ist dieser Quarzoszillator oft als Taktgeber für Prozessoren, Mikrocontroller, Funkgeräte und in Quarzuhren zu finden. Bereits der unkompensierte XOs ist sehr genau und hat normalerweise Abweichungen unter 50 ppm/K. Eine typische Alterung ist 3 ppm/Jahr. Eine Art Standard für das Kurzzeitverhalten sind 20 ppm bei 0 bis 70 °C. Bild 1: Ein 3,2 × 2,5 mm messender Quarz, Serie SMD03025/4 Man kennt den einfach gehäusten XO (Simple Packaged Crystal Oscillator, SPXO), der oft als Taktoszillator genügt, und den Low Power Crystal Oscillator (LPXO), der aufgrund seiner geringen Eigenerwärmung ein gutes Einlaufverhalten bietet. Die Stabilität eines XOs hängt in erster Linie vom Quarz selbst ab. In den letzten Jahren hat sich hier der Trend zu miniaturisierten SMD-Quarzen in Keramikgehäusen verstärkt. Etwa mit der Serie SMD03025/4 bietet Petermann-Technik entsprechende Lösungen für viele Applikationen an (Bild 1). Diese widerstandsoptimierten Quarze zeigen ein optimales Anschwingverhalten und werden auf Wunsch mit einem Drive Level von bis zu 500 µW geliefert. Miniaturisierte SMD-Quarz-Lösungen sind für den Arbeitstemperaturbereich von bis zu -55 bis +125 °C verfügbar. Bild 2: Der XO CFPS-73 von IQD Wem das 3,2 x 2,5 mm/4-pad-Gehäuse zu groß ist, der kann auf das 2 x 2 oder 1,6 mm/4-pad-Gehäuse zurückgreifen. Besonders das 2 x 1,6 mm/4-pad-Gehäuse ist als neues Trendgehäuse für sehr kleine Applikationen anzusehen. Bei den 32,768-kHz- 32 hf-praxis 11/2018

Quarze und Oszillatoren Quarzen steht die kleinste Ausführung mit den Abmessungen von 1,2 x 1 mm kurz vor der Markteinführung. XOs werden diskret aufgebaut oder als integriertes Bauelement. Ein typischer Standard-XO ist der CFPS-73 von IQD (Bild 2). Einige Daten: • Footprint: 7 x 5mm • Gehäuse: keramisch • Frequenzbereich: 0,5 bis 157 MHz • Frequenzstabilität: ±20 bis ±100 ppm • Alterung: max. ±3 ppm/Jahr • Betriebsspannung: 3,3 V ±10% • Betriebstemperatur: 0 bis 70 °C oder -40 bis 85 °C • Ausgang: HCMOS-kompatibel • max. Lastkapazität bis 50 MHz: 50 pF • max. Lastkapazität 50...80 MHz: 30 pF • max. Lastkapazität 80...157 MHz: 15 pF gibt der Hersteller an. Ein üblicher Wert ist 15 pF. Es gilt die Beziehung: ppm = C m /2 [(1/(C S +C L ) - (1/(C S +C L nom )] 10 6 C m ... Bewegungskapazität (motional capacitance) C S ... Shunt-Kapazität Beim Vergrößern von C L steigt demnach der Betrag des Frequenzfehlers. Im Falle C L > C L nom schwingt der Quarz auf einer Frequenz unterhalb der Center-Frequenz, im Falle C L < C L nom auf einer Frequenz oberhalb dieser. Auf diese Weise lässt sich die Schwingfrequenz normalerweise nur um bis zu etwa 100 parts per million verändern. Ein 10-MHz-Quarz könnte um 1 kHz verstimmt werden. In der Praxis werden solche Feineinstellungen aber gewünscht. Dieses Feature ist im VCXO implementiert. Ein VCXO nutzt in aller Regel eine eingebaute Kapazitätsdiode in Reihe zum Quarz (eine Induktivität wäre theoretisch ebenfalls möglich). Benötigt werden VCXOs etwa in digitalen Settop-Boxen, bei digitalen TV- Applikationen und in Laboranwendungen. Bild 3: Der SXO-03025 von Petermann-Technik Ein typischer Clock XO ist der SXO-03025 von Petermann-Technik (Bild 3). Hier einige Daten: • Frequenz: 32.768 kHz • Gehäuse: keramisch, 3,2 x 2,5 x 1,2 mm • Frequenzstabilität: 0...70/-20...+70/- 40...+85 °C: ±25/±100/±50...±100 ppm • Alterung: max. ±3 ppm/Jahr • min. Betriebsspannung: 1,8 V ±0,2 V • Stromverbrauch: max. 50 (60) μA an 1,8 (5) V • Lastkapazität: max. 15 pF Eine zunehmend attraktivere Alternative zu XOs sind Siliziumoszillatoren. Verwendet wird hier ein Mikro-Silizium-Resonator mit sehr geringer Schwingungsenergie. Im Vergleich zu Quarzoszillatoren sind die Siliziumoszillatoren 30-mal unempfindlicher gegen Schock und Vibration sowie ca. 50-mal unempfindlicher gegen elektromagnetische Felder. Der spannungsgesteuerte Oszillator Control kann steuern als auch regeln bedeuten. Ein Voltage Controlled Crystal Oscillator (VCXO) nutzt die Tatsache aus, dass ein Quarz nur dann resonant auf seiner spezifizierten Frequenz ist, wenn die Lastkapazität C L am Oszillatorausgang einen bestimmten Wert C L nom aufweist. Diese Bürdekapazität hf-praxis 11/2018 Bild 4: Der VCXO CFPV-45 von IQD Bezüglich Frequenzstabilität und Einstellbereich (Absolute Pull Range, APR) können sich VCXOs beträchtlich unterscheiden. Die Frequenzvariation kann je nach Typ nur einen Bruchteil eines parts per million betragen oder bis zu über 1000 ppm. Weitere wesentliche Eigenschaften eines VCXOs sind die Linearität der Abstimmung, die Frequenzstabilität, das Phasenrauschen und der Ausgangspegel in Abhängigkeit von der Frequenzvariation. Die Linearität der Abstimmung wird als die prozentuale Abweichung vom gesamten Abstimmbereich definiert. Eine Linearität von 3% besagt, dass innerhalb eines Abstimmbereichs von beispielsweise 100 kHz die Frequenzabweichung 3 kHz betragen kann. Diese 3-kHz- Abweichung kann überall im Abstimmbereich auftreten. Hier beispielhaft einige Daten des VCXOs CFPV von IQD (Bild 4): • Footprint: 7 x 5mm • Gehäuse: keramisch • Frequenz(bereich): 1,5...80 MHz • APR: ±100 ppm min. • Frequenzstabilität: ±100 ppm • Betriebsspannung: 3,3 V ±0,3 V 33