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Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Temperaturkurve eines AT-Schnittquarzes Reihe von Techniken, mit denen sich auch höhere Frequenzen erzeugen lassen. Grund- und Oberton Eine Methode ist, den Quarz mit einem Oberton seiner Grundfrequenz zu betreiben. Wie bei allen Schwingsystemen gibt es harmonische Schwingungen mit ungeraden Vielfachen des Grundmodus. Wird die Oszillatorschaltung durch einen geeigneten Filter ergänzt, welcher die Grundfrequenz unterdrücken kann, so lässt sich ein Betriebsmodus mit höherer Frequenz erzeugen. Hierbei muss bedacht werden, dass die Stabilität, mit jedem weiteren Obertonmodus, geringer und damit die Schaltung anfälliger wird. Auch mittels einer Multiplikator-Schaltung lässt sich eine Hochfrequenzschaltung aus einem niederfrequenten Quarz herstellen. Das Problem dabei ist, dass solche Schaltungen einen höheren Stromverbrauch und eine deutlich längere Anschwingdauer besitzen und sich überdies ungünstig auf das Rauschverhalten auswirken. Um Frequenzen bis zu 800 MHz zu erreichen, werden bei den meisten Standard-Quarzoszillatoren optimierte Schaltungen verwendet, die beide Methoden nutzen. Der Weg zum Oszillator Der Schwingquarz allein dient einzig zur Festlegung der verwendeten Frequenz. Um eine quarzbasierte Oszillatorschaltung (vereinfacht Quarzoszillator) darzustellen, muss dieser entsprechend beschaltet werden. Die Schwingung wird in einer Quarzoszillatorschaltung aufrechterhalten, indem das vom sogenannten Quarzresonator aufgenommene Spannungssignal verstärkt und per Rückkopplung an den Resonator zurückgeführt wird. Der Resonator besteht aus zwei elektrisch leitenden Platten, zwischen denen sich ein Quarz- Blank befindet. Durch einen Steuerungsschaltkreis wird ein Feld erzeugt, welches den Quarz in ein instabiles Gleichgewicht bringt und somit die Oszillation in Gang setzt. Durch die positive Rückkopplung im System wird jedes Signal verstärkt und die Oszillation erhöht. Dabei wirkt der Resonator wie ein Frequenzfilter, der nur für ein sehr schmales Frequenzband um die Eigenfrequenz des Quarzes durchlässig ist. Die Resonanzfrequenz eines Quarzes kann durch Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck und Vibration beeinflusst werden. Um die Wirkungen solcher Faktoren zu minimieren, haben die Hersteller in den vergangenen Jahrzehnten temperaturkompensierte und temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (TCXO bzw. OCXO) entwickelt, die eine hohe Signalstabilität gewährleisten, um den heutigen technologischen aber auch kommerziellen Anforderungen des Marktes zu genügen. MEMS-Oszillatoren Neben den seit Jahren bewährten quarzbasierten Oszillatoren gibt es mittlerweile immer mehr MEMS-basierte Alternativen, die auf den Markt drängen und um die Gunst der Entwickler werben. Bei einem MEMS-Oszillator wird anstelle des Schwingquarzes ein MEMS-Resonator aus Polysilizium eingesetzt, das im Gegensatz zu Quarz nicht piezoelektrisch ist. Stattdessen basiert der Resonator auf einer mechanischen Struktur, die im speziellen Halbleiterprozess auf einem Silizium-Wafer herge- Quarz-Blanks Oszillatorschaltung am Beispiel des Pierce-Gate-Oszillators 26 hf-praxis 4/2022

Quarze und Oszillatoren Aufbau eines traditionellen Quarzoszillators stellt wird. Die Seitenwände der MEMS-Resonatorstruktur bilden eine Kapazität gegenüber den äußeren feststehenden Elektroden. Durch ein elektrisches Feld wird die nur 250 µm große Resonatorstruktur zum Schwingen angeregt. MEMS-Oszillatoren arbeiten immer mit einer indirekten Frequenzerzeugung. Dazu verfügt der Oszillator-ASIC über eine programmierbare PLL, die Ausgangsfrequenzen beispielsweise im Bereich von 1 bis 150 MHz bei einer Schrittweite von typischerweise 100 Hz generiert. MEMS-Oszillatoren sind, wie die altbewährten quarzbasierten Oszillatoren, problemlos für die IC Wafer meisten Standardanwendungen geeignet. Jedoch ist zu beachten, dass sie ein vergleichsweise hohes Phasenrauschen und einen höheren Jitter aufweisen können. Wird die Frequenz eines Oszillators, wie bei MEMS üblich, mithilfe einer PLL erzeugt, hat das Ausgangssignal meist höhere Werte für Jitter bzw. Phasenrauschen als bei direkter, ausschließlich quarzbasierter Frequenzerzeugung. Andererseits können MEMS-Oszillatoren mit einer geringeren Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und einer sehr hohen Vibrationsfestigkeit von bis zu 10.000 g und mehr überzeugen. Diese Vibrationsbeständigkeit von MEMS-Oszillatoren ist dadurch bedingt, dass die Masse eines MEMS-Resonators ungefähr 1000- bis 3000-mal niedriger ist als die Masse eines Quarzresonators. Dies bedeutet, dass eine gegebene Beschleunigung durch Schock oder Vibration, bei einer MEMS-Struktur zu einer viel geringeren Kraft als bei einem quarzbasierten Resonator führt und daher eine viel niedrigere Frequenzverschiebung hervorgerufen wird. Die hohe mechanische Belastbarkeit ist der wesentliche Vorteil der MEMS-Oszillatoren. Durch diese Eigenschaft sind MEMS-Oszillatoren konstruktionsbedingt besser geeignet für Anwendungen in rauer Umgebung, mit hohen Schock- und Vibrationsbelastungen, als viele Quarzoszillatoren. Im Gegensatz zu MEMS-basierten Oszillatoren, zeichnen sich herkömmliche Quarzoszillatoren durch sehr gute Kurzzeitstabilität (10 -9 bis 10 -11 ) sowie ein geringes Phasenrauschen und geringeren Jitter aus. Langjährige Erfahrungen zeigen, dass bei qualitativ hochwertigen Quarzoszillatoren in Bezug auf Langzeitstabilität, Alterungsverhalten und Zuverlässigkeit nicht mit nennenswerten Abweichungen zu rechnen ist. Sie eignen sich daher unter anderem hervorragend für viele Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Datenübertragung, Audio und Messtechnik. Auf die Spezifizierung kommt es an Sowohl der Auswahl- als auch der Beschaffungsprozess des richtigen Taktgebers gerät leider Prüfung der Festigkeit der Bond-Drähte Keramikboden und Metalldeckel werden verschweißt hf-praxis 4/2022 27