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4-2014

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HF-Praxis 4/2014

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren rotierten (SC-Schnitt) und AT- Schnitt-Quarzen. Bild 5: Frequenzoffset gegenüber der Temperatur (Temperaturstabilität) für eine gegebene Temperaturänderung. zu einer spezifizierten Zeit nach dem Einschalten? Dies wird die Rücklaufcharakteristik genannt. Der Rücklauffehler zur Zeit T4 ergibt sich zu: T4 = F1- f3. 2. Wie stark wird sich die Frequenz im Zeitraum von einigen Stunden ändern, nachdem der Ofen sich stabilisiert hat? Dies wird als Restabilisierungoder Aufwärm-Charakteristik bezeichnet. Die Restabilisierungs-Rate von T4 bis T5 ergibt sich zu (f3 - f2)/(T5 - T4). 3. Wie lange benötigt der Oszillator nach einer definierten Abschaltzeit bis er wieder seine spezifizierte Alterungsrate erreicht hat? Dies wird als „Reaging“ bezeichnet. Viele Faktoren beeinflussen die Rücklauf-, Restabilisierungs und Reaging-Charakteristika. Optimaler Schaltungsentwurf und richtige Komponentenauswahl minimieren ihre Effekte, so dass nur der Quarz und die Länge der Ausschaltzeit vor dem erneuten Einschalten des Oszillators als die wesentlichen Faktoren übrig bleiben. Es gibt signifikante Schwankungen in diesen Charakteristika von Quarz zu Quarz und sie sollten nur spezifiziert werden wenn sie unbedingt erforderlich sind und dann auch Bild 5: Frequenzoffset gegenüber der Temperatur (Temperaturstabilität) für eine gegebene Temperaturänderung. nur in dem Maße wie es nötig ist, denn exakte Spezifikationen in diesem Bereich können einen entscheidenden Einfluss auf die Oszillatorkosten haben, aufgrund der geringen Ausbeute. Diese Charakteristiken sind jedoch von geringer Bedeutung für Oszillatoren die kontinuierlich eingeschaltet sind. Doppelt-rotierte Quarze (SC- und IT-Schnitt) Während die meisten Quarzoszillatoren hoher Stabilität Quarze im AT-Schnitt verwenden, finden sich Quarze im SC- und IT- Schnitt häufig in Ausführungen mit höchster Stabilität. Ein Quarz im SC-Schnitt ist einer aus einer Familie von doppelt rotierten Quarzen (Quarze die in einem Winkel zu zwei der drei kristallographischen Achsen geschnitten wurden). Andere Mitglieder dieser Familie sind der IT- und der FC-Schnitt. Der SC-Schnitt repräsentiert die optimale doppelt rotierte Variante, da sein spezieller Winkel maximale Stress-Kompensation erreicht, aber der IT-Schnitt bietet ähnliches Verhalten. Nachfolgend ein Vergleich zwischen doppelt Vorteile von SC-Kristallen: 1. Verbessertes Altern. Für eine gegebene Frequenz und gegebenen Oberton (z.B. 10 MHz, dritter Oberton), bietet der SC- Quarz eine Verbesserung der Alterung um 2:1 bis 3:1 verglichen mit AT-Quarzen. 2. Aufwärmen. In Ofenkontrollierten Oszillatoren mit einem gegebenen Ofen-Design und Einschaltleistung, erreicht der SC-Quarz seine endgültige Frequenz in beträchtlich kürzerer Zeit als der AT-Kristall. 3. Phasenrauschen. Bei gegebenen Oszillatordesign, Quarzfrequenz und Oberton hat der SC-Quarz eine höhere Güte und verbesserte Phasen-Rauschcharakeristik. Diese Verbesserung erfolgt in erster Linie nahe zum Träger, da der Rauschflur mehr durch den Schaltungsentwurf als durch den Quarz bestimmt wird. 4. Hohe Betriebsumgebungstemperatur. Bild 7 zeigt die relativen Frequenz-/Temperaturcharakteristika von AT-, IT- und SC-Quarzen. Der obere Umkehrpunkt der AT-Quarze (A in Bild 7) und der unter Umkehrpunkt des SC-Quarzes (Punkt B in Bild 7) sind optimal für den Temperaturbereich von 70 bis 90 °C. Der IT-Schnitt-Quarz ist besonders empfehlenswert für Betrieb bei höheren Temperaturen und ist daher der bevorzugte Quarz in Öfen mit einer maximalen Betriebstemperatur im Bereich von 85 bis 95 °C. 5. Orientierungs-Empfindlichkeit. Wenn die physikalische Ausrichtung eines Oszillators geändert wird, gibt es eine kleine Frequenzänderung (normalerweise nicht mehr als einige Teile von 10E-9 im Jahr für jede beliebige 90°-Grad-Rotation ), durch die Änderung der mechanischen Beanspruchung des Quarzkörpers, die aus den Auswirkungen der Schwerkraft auf die Quarzhalterungen resultiert. 6. Nebenwellen durch Vibrationen. Wenn ein Quarzoszil- 20 hf-praxis 4/2014

Quarze und Oszillatoren Bild 7: Relative Frequenz-/Temperaturcharakteristika von AT-, ITund SC-Quarzen. lator Vibrationen ausgesetzt wird, werden unerwünschte Nebenwellen erzeugt, die um die Vibrationsfrequenz gegenüber der Quarzfrequenz versetzt sind. Die Amplitude dieser Nebenwellen steht in Relation zur Amplitude der Vibration, dem mechanischen Design der Quarzhalterung und der mechanischen Ausführung des Oszillators. Der SC-Quarz produziert Signale mit niedrigerer Amplitude als der AT-Quarz; diese Eigenschaft ist jedoch mehr auf die mechanische Ausführung des Quarzes und des Oszillators als auf den Quarzschnitt selbst zurückzuführen. Nachteile von SC-Kristallen 1. Kosten. Wegen der Schwierigkeiten, die mit den beiden genau kontrollierten Winkeldrehungen um zwei Achsen bei der Herstellung von SC-Quarzen gegenüber nur einer Achse beim AT-Schnitt ist der SC- Quarz wesentlich teurer als ein AT-Quarz gleicher Frequenz und gleichem Oberton. 2. Ziehbarkeit. Die Kapazität eines SC-Kristalls ist mehrmals geringer als die eines AT- Quarzes mit gleicher Frequenz und Oberton, was die Möglichkeit einschränkt die Frequenz des Quarzes zu ziehen. Dies schränkt die Möglichkeit des Einsatzes von SC-Quarzen in konventionellen TCXOs und VCXOs oder sogar in Öfen ein, in denen die Notwendigkeit besteht, die Quarzfrequenz um einen gewissen Betrag verändern zu können. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Eignung von doppelt rotierten Quarzen für den Einsatz auf die in Oszillatoren beschränkt ist, bei denen die verbesserte Alterung, das schnellere Aufwärmen, und das niedrigere Phasenrauschen nahe beim Träger einen deutlichen Kostenanstieg rechtfertigen. ◄ © 2013 AWR Corporation. All rights reserved. AWR ® , der Innovationsführer bei Hochfrequenz-EDA-Soft ware, liefert Software, welche die Ent wick lung von High- Tech-Produkten beschleu nigt. Laden Sie eine KOSTENLOSE 30-Tage- Testversion herunter und über zeugen Sie sich selbst. www.awrcorp.com • Microwave Office ® für die Entwicklung von MMICs, Modulen und HF-Leiterplatten • AXIEM ® für 3D-Planar- Elektromagnetik-Analyse • Analog Office ® für das Design von RFICs • Visual System Simulator für die Konzeptionierung von Kommu ni ka- Mit AWR als Ihre Hochfrequenz- Design-Plattform können Sie neu ar tige, preiswerte Produkte schneller und zuverlässiger ent wickeln. Olivier Pelhatre tionsarchi tek turen AWR olivier@awrcorp.com hf-praxis Finden Sie 4/2014 heraus, was AWR für Sie Germany +49 170 916 21 4110 tun kann:

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