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HF-Praxis 8/2013

Quarze So funktionieren

Quarze So funktionieren Schwingquarze, Teil 3 Dieser dritte und abschließende Teil befasst sich mit der Quarzauswahl und der Praxis von Oszillatorschaltungen. Bei HF-Schwingschaltungen mit Quarz stehen folgende Fragen im Vordergrund: • Soll der Quarz auf Grund- oder 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)? Bild 9: Grundaufbau eines Oszillators Quelle: Fox Electronics, Quarz Crystal, Design Notes, 2004, www.foxonline.com, redaktionell ergänzt Oszillator-Grundlagen In Bild 9 ist der Grundaufbau einer Oszillatorschaltung gezeigt. Es sind Verstärkungsund Phasendrehungs-Bedingungen einzuhalten, auf die nicht näher eingegangen werden soll. Die genaue Arbeitsfrequenz hängt auch von der Phasendrehung des Feedback-„Netzwerks“ ab. Auch hierbei muss man für höchste Frequenzkonstanz also für Stabilität sorgen. Das gelingt am einfachsten mit einem Quarz. Dessen Impedanz hängt so stark von der Frequenz ab, dass alle anderen Einflüsse demgegenüber zu vernachlässigen sind. Im Falle eines Quarzoszillators liegt der Quarz bei dieser Konfiguration längs im Rückkopplungs-„Netzwerk“ (Serienresonanz) oder quer gegen Masse (Parallelresonanz). Praktisch ist es oft möglich, durch „Ziehen“ jeden Punkt zwischen Serien- und Parallelresonanz als Arbeitsfrequenz festzulegen. Der Frequenzunterschied ist ja sehr klein. Bei Serienresonanz ist der Strom maximal, bei Parallelresonanz minimal. Serienresonanz verspricht daher die höhere Stabilität. In beiden Fälle ist die Bild 10: Mögliche Struktur eines Quarzoszillators mit Ausnutzung der Serienresonanz Bild 11: Mögliche Struktur eines Quarzoszillators mit Ausnutzung der Parallelresonanz Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung null. In Bild 10 ist ein Oszillator mit einem Quarz in Serienresonanz etwas genauer ausgeführt. Der Aufwand ist relativ gering. R1 hält die erster Stufe, einen Inverter, im linearen Arbeitsbereich (Gegenkopplung). C1 ist lediglich ein Koppelkondensator. R2 dient der Anpassung des Quarzes und der Strombegrenzung. Bild 11 zeigt ein mögliches Konzept 20 hf-praxis 8/2013

Quarze Bild 12: Erweiterte Oszillatorschaltung für Obertonbetrieb (Serienresonanz) Bild 14: Temperaturen und Zeiten beim Löten mit Infratorkopf oder Vapor Phase Bild 15: Temperaturen und Zeiten beim bleifreien Löten Bild 13: Mögliche Erweiterung für Obertonbetrieb für einen Quarzoszillator, bei dem der Quarz zwar längs im Rückkopplungs-„Netzwerk“ liegt, aber mit seiner Parallelresonanz genutzt wird. Auf dieser Frequenz ist die Verbindung zwischen C L1 und C L2 sehr hochohmig, sodass die Rückkopplung von R1 bewerkstelligt wird. Der Verstärker muss die Phase entsprechend drehen. Die beiden Kapazitäten beeinflussen die Frequenz. Obertonbetrieb Beide Schaltungen lassen sich noch mit zusätzlichen LC-Kreisen ausstatten, siehe Bild 12 und 13. Stimmt man diese auf die dritte, fünfte, siebte Grundwelle ab, wird der Quarz gezwungen, sich auf dieser Frequenz zu erregen. Bei der seriellen Erregung muss man L mit einem DC- Koppelkondensator gleichspannungsfrei anschließen. Bei der parallelen Erregung ist dieser nicht erforderlich, da ein Serienresonanzkreis genutzt wird. Allerdings ist die Ausnutztung der Parallelresonanz beim Obertronbetrieb aus verschiedenen praktischen Gründen unüblich. In beiden Fällen kann die Ausgangsfrequenz in höherem Maße als beim „Ziehen“ auf der Grundfrequenz durch Verstimmen dieser Tankkreise beeinflusst werden. Aufbaupraxis von Quarzoszillatoren Es hat sich die Verwendung einer zweiseitig kaschierten Platine bewährt, wobei die obere Schicht voll erhalten bleibt und als Massefläche fungiert. Einfache Schaltungen (Grundwellenbetrieb) kann man jedoch auch auf einer einseitig kaschierten Platine aufbauen. In jedem Fall ist die kapazitive Kopplung durch große Bauelemente zu beachten; besonders anfällig sind hochohmige Punkte. Um das Mischen und Ausstrahlen von Oberwellen gering zu halten, sollte man Oszillatoren distanziert zur Vorstufe aufbauen. Immer eindeutige Massebahnen anlegen (keine Schleifen); Brücken nur für unkritische Leitungen (z.B. Versorgungsspannung) vorsehen! Bei Frequenzen über 30 MHz sind Epoxydplatinen zu verwenden. Kurze Signalleitungen sind stets anzustreben. Auch alle Bauelemente-Masseverbindungen sollten so kurz als möglich sein. ICs werden direkt am Gehäuse abgeblockt, auch wenn das manchmal nicht besonders schön wirkt. Schwingkreise sind mit ausreichender Distanz zu voluminösen metallischen Bauteilen anzuordnen. Die Bauelemente des Kreises muss man auf kürzestem Wege verbinden; man denke an die hohen Resonanzströme! Quarze werden immer kleiner und sind oft SMDs. Zum Solder Reflow (Löten) dieser Bauteile informieren die Bilder 14 und 15. ◄ hf-praxis 8/2013 21

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel