Quarze und Oszillatoren Kennwerte unter der Lupe VCXOs und ihre kritischen Parameter Bild 1: Typische Quarz-VCXO-Linearität Ein Voltage Controlled Crystal Oscillator (VCXO) nutzt die Tatsache aus, dass ein Quarz nur dann resonant auf seiner spezifizierten Frequenz ist, wenn die Lastkapazität am Oszillatorausgang einen bestimmten Wert aufweist. Unter Nutzung folgender Quellen: Absolute Pull Range Definition, Anwendungshinweis der Firma Vectron International, www.vectron.com Definitions of VCXO Specifications, Applikationsreport der Firma SiTime Corporation, www.sitime.com Damit einher gehen einige Kennwerte, die man zum Teil nicht auf die leichte Schulter nehmen sollte. Der Artikel nimmt verschiedene VCXO-Spezifikationen unter die Lupe, bei denen man eventuell zweimal hinschauen sollte, und will damit helfen, Design-Fehler zu vermeiden. Lastkapazität und Frequenz Den im Vorspann bemühten „bestimmten Wert“ der Lastkapazität C L nennt man Bürdekapazität C Lnom . Diese 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 Lnom )] 10 6 C m Bewegungskapazität (motional capacitance) C S Shunt-Kapazität C L Lastkapazität C Lnom Bürdekapazität (nomineller Wert) Beim Vergrößern von C L steigt demnach der Betrag des Frequenzfehlers. Im Falle C L > C Lnom schwingt der Quarz auf einer Frequenz unterhalb der Center- Frequenz, im Falle C L < C Lnom auf einer Frequenz oberhalb dieser. Auf diese Weise lässt sich die Schwingfrequenz normalerweise nur um bis zu etwa 100 parts per million (ppm) 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. Parameterunterschiede beachten Bezüglich Frequenzstabilität und Zieh- bzw. Einstellbereich (Total Pull Range, TPR und 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. Der VCXO CFPV von IQD z. B. ist mit Frequenzen im Bereich 1,5...80 MHz lieferbar und hat einen APR von mindestens ±100 ppm für eine Steuerspannung von 1,65 V ±1,65 V. Die Linearität wird mit mindestens ±10% angegeben. TPR vs. APR TPR und APR sind verschieden. Die Firma Vectron Technologies verwendet den absoluten Ziehbereich, um den Betrag der Abweichung zu definieren, den ein VCXO über die Mittenfrequenz f o erreichen kann. Der APR ist 34 hf-praxis 4/2020
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