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4-2023

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Design und Performance von Präzisions-Miniatur-TCXOs Nach einem kurzen Rückblick auf die Geschichte der Oszillator-Temperaturkompensation wird der aktuelle Stand der Technik der TCXO-Technologie beschrieben. von Varaktordioden zusammen mit Verbesserungen bei Thermistoren mit negativem TK ermöglichten es, die Quarze mit größerer Genauigkeit zu kompensieren. Bereits 1961 wurden Kompensationsverhältnisse von mehr als 100 erreicht. Heute sind Verhältnisse von zwei Größenordnungen ungefähr die Grenze für eine Thermistor/Widerstands- Kompensation. Aber auch heute noch erfordert das Erreichen von Stabilitäten von mehr als 0,5 ppm mehrere Temperaturläufe und wiederholte Netzwerkanpassungen mit mindestens drei Thermistoren. Digitale Temperaturkompensation Quelle: The Design and Performance of Precision Miniature TCXOs Greenray Industries, Inc., www.greenrayindustries.com übersetzt und leicht gekürzt von FS Als die ersten Quarzoszillatoren in den 20er Jahren gebaut wurden, wiesen die einzigen verfügbaren Quarze, wie der mit X-Cut, ein schlechtes Temperaturverhalten auf. Die Entwicklung des AT-Cut-Quarzes war ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Temperaturkompensation. Er ermöglichte eine relativ flache Frequenz-Temperatur-Kurve, zentriert auf 25 °C (Bild 1). Bis Mitte der 40er Jahre waren die Alterungs- und Temperatureigenschaften von Quarzen nicht gut genug, um Präzisionskorrekturen praktikabel zu machen. Aus verschiedenen Gründen kam es zu Aktivitätseinbrüchen und gekoppelten Moden und somit zu erheblichen Frequenzstörungen, die die Wirksamkeit jeglicher Kompensationsversuche einschränkten. Doch Fortschritte bei der Konstruktion von Quarzplatten und Kristallgehäusen wie den Kaltschweißhaltern ermöglichten die Herstellung von Kristallen mit relativ glatten Frequenz-Temperatur-Kurven und Alterungsraten von nur 10 -9 pro Tag bzw. 10 -3 ppm. Thermistor/Widerstands- Netzwerk-Kompensation Thermistor/Widerstands-TCXOs sind seit 50 Jahren die Hauptstütze der Temperaturkompensation von Quarzoszillatoren. Eine Korrekturspannung, die per Netzwerk aus einem oder mehreren Thermistoren/Widerständen erzeugt wird, gleicht die Frequenzschwankungen eines spannungsgesteuerten Quarzoszillators gegenüber der Temperatur aus. Die Einführung In den späten 70er Jahren ermöglichten Fortschritte in der Technologie der integrierten Schaltkreise Kompensationssysteme mit Analog/Digital-Wandlern und Festkörperspeichern. TCXOs mit 0,1 ppm wurden entwickelt, viele mit integrierter Rechenleistung zur Erleichterung der Kalibrierung und des Systembetriebs. Analoge Integration Da die Großintegration immer weiter ausgebaut wurde, konnte Der Autor: Steve Fry ist Leiter der Entwicklungstechnik bei Greenray Industries, Inc. in Mechanicsburg, Absolvent des Ohio Institute of Technology und seit mehr als 25 Jahren in der Konstruktion und Entwicklung von Frequenzsteuerungsgeräten tätig. Neben verschiedenen Veröffentlichungen hält Fry zehn U.S.-Patente. Sie können ihn unter sfry@greenrayindustries.com erreichen. 38 hf-praxis 4/2023

Quarze und Oszillatoren Bild 1: Charakteristische Temperaturkurven für die normierte Grundfrequenz des AT-Cut-Quarzes man mehr der für die Temperaturkompensation erforderlichen Funktionen in einem einzigen IC unterbringen. Dies hat zu der aktuellen Generation von ASICs, die analoge Präzisions-TCXOs mit nur zwei Komponenten (ASIC und Quarz) geführt. Die neusten Bauelemente für TCXO-Anwendungen sind komplexe, großformatige ICs, die analoge Präzisionsfunktionen, nichtflüchtige digitale Speicher, Varaktordioden und HF-Oszillatorschaltung vereinen. Nachdem die ersten Bauelemente noch relativ groß waren, konnten durch die Reduzierung der Geometrien kleinere ICs hergestellt werden, die es ermöglichen, einen kompletten Präzisions- TCXO in einem Gehäuse von nur 3,2 x 5 mm unterzubringen. Das Aufmacherbild zeigt, was in so einem Schnipsel alles drinstecken kann. Polynom-Funktionsgenerator Das Herzstück eines solchen ASICs ist der Polynom-Funktionsgenerator. Ziel ist es, eine temperaturabhängige Spannung zu erzeugen, die der VCXO- Spannung entspricht, die erforderlich ist, um die Oszillatorfrequenz über den gesamten Temperaturbereich exakt auf dem Nennwert zu halten. Mit einem linearen Temperatursensor und einer Reihe von analogen Multiplikationen werden die Koeffizienten eines Polynoms hoher Ordnung simuliert. Obwohl der ideale AT-Quarz einer Kurve dritter Ordnung folgen sollte, erfordern Nichtlinearitäten in der Schaltung und im Quarz, dass Terme höherer Ordnung einbezogen werden, um eine optimale Übereinstimmung mit der erforderlichen Kompensationsspannungskurve zu erzielen. Die Beugungstemperatur des Quarzes, wichtig für die Anpassung der Kurve, ist eine der Variablen, die programmierbar sein müssen, um eine breitere Palette von Quarzen verwenden zu können. Einige Miniatur-Streifenquarze können Beugungstemperaturen von bis zu 40 °C aufweisen, was eine genaue Kurvenanpassung schwierig machen kann. Integrierte Oszillatorfunktionen Neben dem Funktionsgenerator sind auf den neusten Chips auch alle anderen Oszillatorfunktionen integriert. Ein präziser Low-Dropout-Spannungsregler versorgt die gesamte Schaltung. Aufgrund der erforderlichen stabilen Spannungen zur Erreichung der Frequenzstabilität ist eine präzise Referenzspannungsquelle unerlässlich. Der Betrieb ist bereits ab 2,7 V möglich. Die Schaltung zur Ansteuerung des Quarzoszillators auf dem Chip verfügt über einen programmierbaren Quarzansteuerungsstrom für einen weiten Bereich von Quarzimpedanzen und -frequenzen. Die spannungsvariablen Kondensatoren, mit denen die Oszillatorfrequenz eingestellt wird, sind in der Regel als MOS-Struktur anstelle einer herkömmlichen dotierten Sperrschichtdiode implementiert. Eine relativ hohe Abstimmempfindlichkeit ist aufgrund des Niederspannungsbetriebs der Bauelemente erforderlich und kann über 50 ppm/V liegen. Die Ausgangskonditionierungsschaltung puffert den Quarzoszillator und sorgt für die richtigen Ausgangspegel. Die meisten ASICs können entweder eine CMOS-Rechteckwelle oder eine abgeschnittene 1-V pk-pk -Sinuswelle mit geringerer Leistung liefern. Eine elektronische Frequenzsteuerung zur Implementierung einer VCXO-Funktion ist verfügbar. Ein paar Bytes nicht zweckgebundenen Benutzerspeichers sind nützlich für die Speicherung von Seriennummern und anderen Charakterisierungsdaten zur verbesserten Automatisierung. Präzisions-AT-Quarze Immer noch ist es unmöglich, einen Präzisions-TCXO ohne einen hochwertigen Quarz herzustellen. Zwar werden gute Quarze immer noch als runde Rohlinge in konventionellen zweipoligen geschweißten Gehäusen hergestellt, doch ihre Größe schließt ihre Verwendung in vielen Miniatur-Oszillator-Designs aus. Dies hat zur Entwicklung von AT-Streifenquarzen mit Bild 2: Erreichbare Frequenz-Temperatur-Leistung Bild 3: Frequenzänderung eines 20-MHz-Oszillator während eines Temperaturschwankungslaufs, s. Text hf-praxis 4/2023 39

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