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4-2023

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Der richtige Takt für jede Anwendung Kleines Oszillator-Lexikon Oszillatoren spielen eine zentrale Rolle in Hochfrequenz-, Funk- und Datentechnik. Um jedoch für eine bestimmte Anwendung den richtigen Oszillator zu finden, muss man zumindest die verschiedenen Grundtypen kennen. Quelle: https://at.rs-online. com/web/generalDisplay. html?id=ideen-und-tipps/ oszillatoren-leitfaden APR s. VCXO Betriebstemperaturbereich Je größer der spezifizierte Betriebstemperaturbereich (Operational Temperature Range), umso geringer ist sukzessive und grundtypabhängig die mögliche Stabilität des Oszillators. Richtwerte für TCXOs: • 0...40 °C: 0,1...0,5 ppm • 0...70 °C: 0,2...1 ppm • -20...+70 °C: 0,3...2 ppm • -40...+85 °C: 0,4...3 ppm • -55...+ 105 °C: 0,5...5 ppm Die kleineren Werte der Frequenzänderung gelten mehr für digitale TCXOs, die größeren mehr für analoge TCXOs. Das heißt in etwa: Mikroprozessorgesteuerte TCXOs (DCTCXOs) erreichen etwa um eine Zehnerpotenz bessere Werte. CXO Das C in dieser nicht allzu oft bemühten und eigentlich überflüssigen Abkürzung steht für Crystal (Quarz) oder Clock (Takt). Sinn macht höchstens letztere Interpretation, kann man damit doch auf die Zeit als Ziel der ganzen Takterei hinweisen. Paradebeispiel ist der „Uhrenquarz“ mit seinen 32,768 kHz. Warum dieser Wert? Die Antwort liegt tief in der Geschichte der Schwingquarze. Im Laufe dieser wurde schnell klar, dass Quarze auch bei der Zeitmessung gute Dienste leisten können. So präsentierten die Bell Labs im Jahr 1928 stolz die erste quarzgesteuerte Uhr der Welt. Der Quarz sorgte dafür, dass die Uhr „wusste“, wie lang eine Sekunde (1/Hz) ist. Aber warum 32,768 kHz? Dazu muss man wissen, dass die Schwingfrequenz eines Quarzes auch von seiner Größe abhängt. Ein 1-Hz-Quarz wäre viel zu groß. Daher verfiel man auf einen Trick: Quarze für 32,768 kHz sind relativ leicht herzustellen. Diese Frequenz wird mithilfe von Flipflops geteilt. Jedes Flipflop halbiert die Frequenz. Schaltet man 15 Flipflops in Reihe, landet man bei genau einem Hertz. DCTCXO Bei einem Digital Controlled TCXO wird die Temperatur des Quarzes z.B. mit einem NTC- Element gemessen und dann per A/D-Wandler digitalisiert und einem Prozessor zugeführt. Entsprechend der im Speicher abgelegten Messwerte wird der zur Kompensation des Temperaturgangs erforderliche digitale Spannungswert an einen D/A- Wandler gegeben, der eine entsprechende analoge Spannung zur Steuerung der Kapazitätsdiode bereitstellt. So lassen sich beliebige Temperaturkurven und damit große Temperaturbereiche präzise kompensieren. Gegenüber analogen TCXOs haben digitale TCXOs den Vorteil einer präziseren Funktion innerhalb eines größeren Umgebungstemperaturbereichs. DCXO Das Kürzel steht allgemein für Digital Controlled XO. „Controlled“ bedeutet sowohl Steuerung als auch Regelung. EMXO Der Evacuated Miniature XO heizt seinen Quarz in einem Vakuum. Clever, denn im Vakuum gibt es keine Wärmeleitung, sondern nur Wärmestrahlung. So bleiben die Wärmeverluste minimal und der Quarz kann optimal (hochstabil) arbeiten. GPSDO Ein GPS-synchronisierter Oszillator (GPS-Disciplined Oscillator) ist eine Quarzoszillatorschaltung, deren Frequenz mit den Signalen von GNSS-Systemen geregelt wird, wodurch sich eine um Größenordnungen höhere Stabilität und Genauigkeit gegenüber dem Quarzbetrieb allein ergibt. Das Prinzip besteht darin, einen Quarzoszillator (TCXO), der ansonsten frei schwingen und driften würde, mittels geringer Temperaturänderungen in seiner Frequenz zu beeinflussen und ihn so mit einer Atomuhr zu synchronisieren. Die erreichbare langfristige Genauigkeit liegt im Bereich von 10 -11 . Mit einem Quarzofen (OCXO) oder einem Rubidium-Oszillator kann die Stabilität und Genauigkeit noch weiter erhöht werden. Aufgrund der geringen zeitlichen Informationsdichte der 16 hf-praxis 4/2023

Quarze und Oszillatoren GPS-Signale und der benötigen Datenmenge für die zeitliche Glättung der Zeitinformationswerte benötigen derartige Schaltungen oft mehrere Minuten, bis sie ausreichend genau eingeschwungen sind. Dies gilt mithin auch für die eventuell eingesetzten Heizelemente. Low-G Oscillator Oszillatoren mit geringer g-Empfindlichkeit (Beschleunigung) spielen eine wichtige Rolle als stabile Referenzquellen in vielen der heutigen Kommunikations-, Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsprogramme und -anwendungen. Die g-Empfindlichkeit eines Oszillators ist ein Maß dafür, wie stark sich die Frequenz durch ein Beschleunigungsereignis ändert und wird in der Regel mit dem griechischen Buchstaben Gamma (G) angegeben. G wird oft bei einem bestimmten Schwingungspegel bewertet, aber es ist wichtig zu beachten, dass Frequenzverschiebungen auch durch einen Stoßimpuls oder manchmal sogar durch normale Handhabung auftreten können. Wenn ein Oszillator während des normalen Betriebs irgendwelchen Vibrationen ausgesetzt ist, können die Auswirkungen auf die spektrale Reinheit (Phasenrauschen) erheblich sein. Unabhängig davon, wie gering das Phasenrauschen eines Oszillators im Ruhezustand sein mag, wird das Phasenrauschen bei Vibrationen in erster Linie durch die g-Empfindlichkeit des Geräts bestimmt. Bei Kenntnis der g-Empfindlichkeit eines Oszillators, der Nennfrequenz und des angelegten Schwingungspegels lässt sich das resultierende Phasenrauschen berechnen. Durch die Berechnungen wird ermittelt, welche g-Empfindlichkeit erforderlich ist, um einen bestimmten Phasenrauschpegel bei den erwarteten Schwingungspegeln zu erreichen. Low-Phasenoise/ Jitter Oscillator Das Phasenrauschen ist ein Maß für die spektrale Reinheit eines Signals und kann für viele Anwendungen kritisch sein. Das Phasenrauschen ist definiert als Rauschleistung in einer Bandbreite von 1 Hz bei einer bestimmten, vom Träger entfernten Frequenz, und das Phasenrauschen des Quarzoszillators kann die gesamte Systemleistung beeinträchtigen. Digitale Systeme erfahren die Auswirkungen des Phasenrauschens im Zeitbereich als Jitter. Jitter beeinträchtigt die Qualität der digitalen Modulation und führt zu einer erhöhten Bitfehlerrate. Die Auswahl eines geeigneten Quarzoszillators mit geringem Phasenrauschen ist entscheidend für die Gewährleistung der Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Systems und der Anwendung. LPXO Der Low-Power XO bietet aufgrund seiner geringen Eigenerwärmung ein gutes Einlaufverhalten. s. XO MEMS-Oszillator Elektronische Schaltungen, die als frequenzbestimmendes Element einen Resonator anstelle eines Schwingquarzes aus Polysilizium enthalten, kommen mit besonders kleinen Abmessungen einher. Sie enthalten eine Phasenregelschleife (PPL), mit denen sich die Ausgangsfrequenzen in Form und Stärke individuell programmieren lassen. Diese MEMS-Oszillatoren sind sehr klein und kostengünstig und lassen sich gut verbauen. Sie werden daher oft genutzt, obwohl sie anfällig für Temperaturschwankungen sind und ein vergleichsweise hohes Phasenrauschen aufweisen. MEMS- Oszillatoren sind also nur eine Alternative zu Quarzoszillatoren in bestimmten Anwendungsszenarien, wie Smartphones. OCXO Der Oven Controlled XO fasst den Quarz und andere temperaturabhängige Bauteile in einer geschlossenen Kammer zusammen. Deren Innentemperatur wird so geregelt, dass der Quarz in einem Arbeitspunkt schwingt, wo die Temperatur-Frequenz- Kennlinie durch Null geht. Der „Ofen” ist also ein Thermostat. Solche Oszillatoren erreichen die bestmögliche Stabilität von bis zu 0,001 ppm. Die typische OCXO-Frequenz ist 10 MHz (gängige Referenz). Die Regelung basiert auf der Wärmeabgabe an die Umgebung. Die Thermostattemperatur muss also deutlich über der höchsten Betriebstemperatur liegen. Dies bringt den Nachteil einer schnellen Alterung. Der Thermostat besteht aus der temperierten Kammer, dem Thermostatkörper, dem Temperaturfühler, der Heizung und der Regelschaltung mit Leistungsstufe und Heizvorrichtung. Um die Wärmeabfuhr nach außen zu drosseln und die Auswirkung schneller Umgebungstemperaturänderungen zu minimieren, befindet sich diese Anordnung in einem Thermogehäuse. Programmable Oscillator Programmierbare Oszillatoren sind in verschiedenen Oszillatorkonzepten, wie XO, VCO oder MEMS, möglich. In der heutigen schnelllebigen Entwicklungsumgebung bieten programmierbare Oszillatoren Flexibilität für Designs auf Board-Ebene. Sie unterstützen Standard- und Nicht-Standard-Frequenzen und erlauben schnelle Frequenzexperimente für die zügige Prototypenerstellung. Die Programmierung der Eigenschaften, wie der Frequenz, erfolgt über einen Standard-Bus wie I 2 C. Pullability Oszillatoren sind nicht rückwirkungsfrei. Die Frequenz stellt sich je nach Belastung ein. Daher werden Bürdekapazitäten vorgegeben. Die „Bereitschaft“ eines Oszillators, seine Frequenz entweder durch veränderte Last oder durch eine Kapazität/Induktivität in Reihe zum Quarz bei entsprechender Erregung zu verändern, nennt man Pullability. Sie lässt sich durch einen „Ziehbereich“ charakterisieren, in dem der Oszillator noch sicher anschwingt und stabil funktioniert. Hinweis: „Gezogen“ wird nicht der Quarz, denn dieser bleibt unverändert, sondern die Frequenz. SPXO Der Simple oder Single Package XO, also der einfach gehäuste Crystal Oscillator, ist preiswert und genügt oft als Taktoszillator. s. XO SSCG s. SSXO SSXO Der Spread-Spectrum XO verwendet eine proprietäre PLL- und Spread-Spectrum- Clock-Generator-Technologie (SSCG), um die Frequenz des Eingangsquarzes zu synthetisieren und zu modulieren. Die gemessene Strahlungsenergie bei den Grund- und Oberwellenfrequenzen wird reduziert, um die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen. Die interne Werkseinstellungsfunktion ermöglicht eine flexible Auswahl von Ausgangsfrequenz, Modulationsrate und Spreizungsverhältnissen. TCVCXO Über den Temperature Compensated Voltage Controlled XO erfährt man nicht allzu viel im Netz. Wenn man sich mit diesem Kandidaten einlassen will, rufe man entsprechende Produkte auf und konsultiere die Datenblätter. TCXO Der Temperature Compensated XO baut auf dem VCXO auf. Auch er nutzt eine reaktive Komponente in Serie zum Quarz, um diesen zu ziehen. Hinzu kommt noch ein Temperatursensor (meist NTC, negativer Temperaturkoeffizient), um die Frequenz zu regeln. Mit dieser Technik lässt sich eine Genauigkeit von bis zu 0,1 ppm erreichen. Bei einem 100-MHz-Quarz wäre hf-praxis 4/2023 17

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