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HF-Praxis 4/2014

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren OCXO: Ofengeregelter Quarzoszillator Wenn die Stabilitätsanforderungen in einem System zu hoch sind, um von einem einfachen Grundwellenoszillator oder TCXO erfüllt zu werden, können der Quarz und die kritischen Schaltungen durch eine Heizung temperaturkontrolliert werden. Das Blockdiagramm eines Vectron-OCXO ist dem eines TCXO von Vectron sehr ähnlich, außer dass die Varaktordiode und das zugehörige Thermistor-Kompensationsnetzwerk fehlen und der Oszillator stattdessen durch einen proportional geregelten Ofen in der Temperatur kontrolliert wird. Proportional geregelter Ofen Eine proportionale Steuerung ist ein elektronisches Servosystem, das den Ofen ständig mit Strom versorgt; es verändert die Höhe der Ofenleistung und kompensiert damit beständig Änderungen in der Umgebungstemperatur. In vielen OCXOs von Vectron wird ein Thermistor in das Metallgehäuse des Ofens versenkt, um die Temperatur zu erfassen. Der Thermistor ist ein Bein einer Widerstandsbrücke, wie das Diagramm in Bild 1 zeigt. Die Brücke arbeitet wie folgt: Wenn die Temperatur am Ofen aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur abnimmt, bewirkt die Änderung des Thermistorwiderstands, dass die Brücke aus dem Gleichgewicht gerät und die Brücken-Ausgangsspannung ansteigt. Diese Spannung wird in einem Differenz-Verstärker hoch verstärkt. Das Ausgangssignal des Differenz-Verstärkers wird in einem Leistungsverstärker weiter verstärkt, der direkt die Ofen-Heizwicklung Unter Verwendung der Application Note: OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator Vectron International www.vectron.com Bild 1: Der Thermistor ist ein Bein einer Widerstandsbrücke Bild 2: Die tatsächliche Temeperatur ist kritisch beim minimieren der Auswirkungen der Umgebungstemperatur. versorgt. Auf diese Art generiert die kleine Spannungszunahme, aufgrund der Brückenunsymmetrie, eine große Spannungszunahme über der Ofenwicklung. Diese Leistungszunahme im Ofen generiert mehr Wärme, um die Temperaturabnahme zu kompensieren, die vom Thermistor festgestellt wurde. Ebenso verursacht eine Zunahme der Ofen-Temperatur eine Reduktion der Brückenausgangsspannung, was zu einer reduzierten Leistungszufuhr zum Ofen und einem kompensierenden Temperaturrückgang führt. Einen proportional geregelten Ofen einzusetzen kann die Temperaturstabilität des Oszillators - verglichen mit der inhärente Stabilität um mehr als das 5000fache (von ±1 x10E-5 zu ±1 x10E-9 über 0 - 50 °C zum Beispiel). Jedoch ist das Ofensteuerungssystem nicht perfekt weil a) die Verstärkung bei offener Schleife nicht unendlich groß ist b) es interne Temperaturgradienten innerhalb des Ofens gibt und c) Schaltkreise des Ofens, die Änderungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, die Frequenz "ziehen" können. Daher führt eine Änderung der Umgebungstemperatur zu kleinen Änderungen in der Ofentemperatur. Einstellen der Ofentemperatur Wie Bild 2 zeigt, ist die tatsächliche Temperatur, auf die der Ofen eingestellt ist, kritisch beim Minimieren der Auswirkungen von Umgebungstemperaturänderungen. Wenn die Ofentemperatur (gemäß Bild 2) auf den Punkt 1 eingestellt wäre, würde eine Änderung der Umgebungstemperatur von A nach B eine Frequenzänderung der Größenordnung X hervorrufen. Würde die Ofentemperatur jedoch auf Punkt 2 gestellt werden, würde eine Temperatur-Änderung um die gleiche Höhe (C zu D) zu einer bedeutend reduzierten Änderung der Frequenz (Größenordnung Y) führen. Deshalb wird jeder Vectron-Ofen individuell auf die Turn-over-Temperatur des Quarzes eingestellt, der im Ofen eingesetzt wird. Diese Einstellung erfolgt mit dem in Bild 1 gezeigten Regelwiderstand. Aufwärmvorgang mit AT-Schnitt-Quarzen Wenn ein Oszillator erstmals bei Zimmertemperatur eingeschaltet wird, ist seine Frequenz äußerst hoch, verglichen mit der Frequenz nach der Ofenstabilisierung, normalerweise bis 30 x10E-6. Dies ist einfach durch die Tatsache verursacht, dass die Frequenz eines AT-Schnitt- Quarzes beträchtlich höher bei Zimmertemperatur als bei seiner oberen Umkehrtemperatur ist. Während der Ofen sich aufheizt, nimmt die Quarzfrequenz sehr schnell ab. In Standard-Oszilla- 18 hf-praxis 4/2014

Quarze und Oszillatoren Bild 3: Die Quarzfrequenz zeigt ein Gummiband-Verhalten und schießt zunächst über ihre Zielfrequenz hinaus, bevor sie sich stabilisiert. toren von Vectron erreicht der Ofen nach 10 - 15 Minuten seine Solltemperatur, aber die Quarzfrequenz zeigt ein Gummiband- Verhalten und schießt zunächst über ihre Zielfrequenz hinaus, bevor sie sich stabilisiert (siehe Bild 3). Typischerweise wird ein relativ hoher Grad von Stabilität innerhalb von 30 Minuten nach dem Einschalten erreicht; diese Zeit kann auf weniger als 5 Minuten in speziellen Designs mit schneller Aufwärmung reduziert werden. A: Altern - Altern bezieht sich Umkehrtemperatur auf die kontinuierliche Änderung der Quarzfrequenz mit Die Ofenbetriebstemperatur (Umkehrtemperatur des der Zeit, wobei alle anderen Quarzes) muss mehrere Grade Parameter konstant gehalten höher als die höchste Umgebungstemperatur sein, in der jeder ofenkontrollierte Oszilla- werden. Vor Auslieferung wird der Oszillator laufen soll, damit tor von Vectron vorgealtert, bis der Ofen gut geregelt werden er seine spezifizierte Alterungsrate erreicht. Alterungsrate wird kann. Schließlich muss auch der interne Wärmeanstieg berücksichtigt werden, der durch den bilität verwendet; daher wird ein oft synonym mit dem Wort Sta- Oszillator selbst hervorgerufen wird. Es ergeben sich jedoch auch Nachteile beim Betrieb mit hoher Ofentemperatur. Zunächst einmal ist die Kurve der Frequenzänderung über der Temperatur schmaler und steiler bei Quarzen mit höherem Umkehrpunkt, was zu einer größeren Empfindlichkeit gegenüber kleinen Änderungen der Ofentemperatur führt, wie Bild 4 zeigt. Ein weiterer und bedeutenderer Nachteil ist, dass die Quarzalterung sich mit steigender Tempe- Bild 4: Größere Empfindlichkeit gegenüber kleinen Änderungen der Ofentemperatur. ratur verschlechtert. Daher wird man bei der Entwicklung eines ofenstabilisierten Quarzoszillators bei der Festlegung der gewünschten Ofen-Betriebstemperatur mit einem Kompromiss konfrontiert: sie sollte so niedrig wie praktisch möglich sein, aber hoch genug, um eine gute Regelung bei der maximalen Umgebungs-Betriebstemperatur zu gewährleisten. Stabilität Oszillator mit einer Alterungsrate von 1 Teil in 10E-8 pro Tag (1 x 10E-8) manchmal als „one part in 108 oscillator“ benannt. Das ist eine unkorrekte Terminologie, da die Alterungsrate (Langzeitstabilität) auf die Zeit bezogen werden muss und nur eine Facette der Oszillatorstabilität repräsentiert. B: Temperaturstabilität – Da kein Ofensteuerungssystem perfekt ist, bewirkt – wie bereits erwähnt - eine Änderung der Umgebungstemperatur eine kleine Änderung der Ausgangsfrequenz. Diese Frequenzverschiebung ist ein Versatz von der Alterungskurve des Oszillators. Die Abweichung von der normalen Alterungscharakteristik ist nicht auf die Zeit bezogen, sondern ist ein fester Offset. Daher ist der Frequenzoffset gegenüber der Temperatur (Temperaturstabilität) für eine gegebene Temperaturänderung zum Beispiel 5 x10E-9, nicht 5 x10E-9/Tag. Dies verdeutlicht Bild 5. Umgebungstemperaturänderungen bewirken keine Hysterese-Effekte; d.h., wenn auf eine Änderung in der Umgebungstemperatur eine Rückkehr zur ursprünglichen Temperatur folgt, dann ist die endgültige Frequenz genau die, die sich auch ohne Temperaturänderung eingestellt hätte. Wenn die geforderte Temperaturstabilität jenseits dessen liegt, was man mit einem standardmäßigen kontrollierter Ofen erreichen kann, kann auch ein doppeltes Ofensystem verwendet werden, in dem der Standardofen in einem zweiten Ofen untergebracht ist. Der äußere Ofen puffert dann die Änderungen der Umgebungstemperatur gegenüber dem inneren Ofen, der die Oszillatorschaltung enthält. C. Restabilisierung: Wenn ein Quarzoszillator für einige Zeit ausgeschaltet war und dann wieder in Betrieb genommen wird, benötigt der Quarz eine Restabilisierungs-Periode. Das charakteristische Verhalten ist ähnlich wie bei der ersten Alterung in der Produktion. Aber hohe Stabilität wird jetzt bedeutend schneller erreicht, weil der Quarz schon im Werk vorgealtert wurde. In den meisten Anwendungen bleiben ofenkontrollierte Quarzoszillatoren immer eingeschaltet. In diesem Fall ist Alterung die kritische Charakteristik, während die Aus-/Einschaltcharakteristik ohne Bedeutung ist. Manche Anwendungen erfordern aber ein häufiges Aus- und Einschalten des OCXOs (was man möglicht vermeiden sollte). Wenn Anwendungen jedoch häufiges Abschalten erfordern, müssen eine Reihe zusätzlicher Charakteristiken beachtet werden. In Bild 6 wird angenommen, dass ein Oszillator bis zur Zeit T2 eingeschaltet ist, dann für eine gewissse Zeit abgeschaltet und zum Zeitpunkt T3 wieder aktiviert wird. Drei Charakteristika können dann von Bedeutung sein: 1. Wie nahe kehrt der Oszillator zu der Ausgangsfrequenz beim Abschalten zurück, und zwar hf-praxis 4/2014 19

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