5-2017

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Bild 5: Klimaschrank für Quarz-Blanks plikator-Schaltung genutzt werden. Das Problem dabei ist, dass solche Schaltungen einen höheren Stromverbrauch und eine deutlich längere Anschwingdauer haben und sich überdies ungünstig auf das Rauschverhalten auswirken. Bei den meisten Standard- Quarzoszillatoren werden optimierte Schaltungen verwendet, die beide Methoden nutzen, um Frequenzen bis zu 800 MHz zu erzielen. Wenn jedoch für hohe Frequenzen das Rauschen ein kritischer Faktor ist, können so genannte Inverted-Mesa-Quarzblanks verwendet werden. Dieses Design wird auch als HFF- (High Frequency Fundamental) Blank bezeichnet. Dabei wird ein Quarz-Blank verwendet, dessen Mitte weggeätzt wurde, um die für eine hochfrequente Oszillation notwendige Dicke des Blanks zu erreichen. Um den Quarz zu stabilisieren, bleibt der Außenrand dagegen dicker (Bild 7.) Bei Inverted-MESA-Quarzen muss zwar nur ein kleiner Bereich der Oberfläche geätzt werden, der Prozess ist jedoch komplex und kann nur einzeln durchgeführt werden. Die Inverted-Mesa-Methode ist eine hervorragende Lösung zur Herstellung von Hochfrequenz-Qualitätsquarzen, solange die Kosten kein kritischer Faktor sind. Bild 6: Quarz-Wafer Nach der Fertigung des Quarz- Blanks werden beide Seiten des Quarzes metallisiert. So entstehen die Elektroden für den externen elektrischen Anschluss. Im nächsten Schritt wird der Quarz hinter einer Schablone montiert und in einer Vakuumkammer dann entweder Silber oder Gold auf die freiliegende Oberfläche aufgedampft. Die Wahl des verwendeten Metalls ist durch die Vorgaben hinsichtlich der Kosten und Alterung bestimmt. Bei einem Gold-Plating wird typischerweise eine Alterung im Bereich von ±1ppm im ersten Jahr erreicht, bei Silber im Regelfall von ±3ppm. Danach kann der Quarz in einem Gehäuse montiert und verklebt werden. Traditionell wurde bei diesem Prozess ein Silberepoxidkleber verwendet, der die mechanische Fixierung und elektrische Leitfähigkeit sicherstellt. Mit Einführung von SMD-Gehäusen aus Keramik wurde dieser Prozess jedoch automatisiert und anstelle von Epoxid ein silikonbasierter Klebstoff verwendet. Dies hat den Vorteil, dass die Klebeverbindung etwas weniger starr ist, was einen besseren Schutz vor Stoß- und Vibrationseinwirkungen bietet. Außerdem verringert sich das Risiko von mechanischen Spannungen innerhalb des Quarz-Blanks, was unerwünschte Frequenzänderungen und eine verstärkte Alterung zur Folge haben kann. Der im Gehäuse montierte Quarz kann nun auf die endgültige Frequenz eingestellt („getrimmt“) Bild 7: Inverted-MESA-Quarz werden. Noch bis vor kurzem wurde dazu die Quarzelektrode erneut metallisiert und dabei die Resonanzfrequenz gemessen. Wie bei der ersten Plattierung wurde auch dieser Prozess in einer Vakuumkammer unter Verwendung einer Schablone durchgeführt. Die Nachfrage nach immer kleineren Komponenten hat diese Technik jetzt an ihre Grenzen stoßen lassen. Die Schablonen sind mittlerweile so klein, dass die Auftragung bei Gehäusen mit Abmessungen von 3 x 2,5 mm und kleiner nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit kontrolliert werden kann. Bei der neuesten Technik kommt daher nun ein Ionenstrahl zum Einsatz, mit dem durch eine Schablone Material von der Elektrode abgetragen wird. Dadurch wird die Masse verringert und die Frequenz des Quarzes erhöht. Die Einheit mit dem fertig bearbeiteten Quarz muss danach verschlossen werden (Bild 9). Bei keramischen SMD-Gehäusen werden hauptsächlich zwei Techniken angewendet, das sog. Seam-Seal- oder das ältere Glass-Seal-Verfahren. Beide Methoden ergeben einen hermetisch dichten Verschluss, der notwendig ist, um eine inerte Innenatmosphäre zu erzeugen und übermäßige Alterung zu vermeiden. Die Glasversiegelung ist 30 hf-praxis 5/2017

Quarze und Oszillatoren Bild 8: Quarz-Montage Bild 9: Gehäuse-Montage Bild 10: Oszillatorschaltung am Beispiel des Pierce-Gate- Oszillators billiger, das Bauteil wird dabei jedoch in einem Reflow-Prozess Temperaturen von über 350 °C ausgesetzt, was sich im Einzelfall negativ auf die interne Struktur des Bauteils auswirken kann. Das Seam-Seal-Verfahren ist ein besser kontrollierbarer Prozess, der in einer abgedichteten Kammer unter reiner Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden kann. Bei den neuen kleineren Bauteilen wurden die Verfahren so verändert, dass das fertige Teil unter Vakuum verschlossen wird. Quarze werden zu Oszillatoren Da ein Schwingquarz an sich weder Oszillator noch Taktgeber darstellt, sondern einzig zur Festlegung der verwendeten Frequenz dient, muss dieser entsprechend beschaltet werden, um eine quarzstabilisierte Oszillatorschaltung (vereinfacht Quarz oszillator genannt) darzustellen. In der Praxis wird dazu entweder eine der möglichen bekannten Oszillatorschaltungen aus diskreten Bauteilen aufgebaut oder man verwendet einen „externen Oszillator“, bei dem die elektronische Schaltung zusammen mit dem frequenzbestimmenden Schwingquarz bereits in ein i.d.R. genormtes Gehäuse eingesetzt ist. In einer Quarzoszillatorschaltung wird die Schwingung aufrechterhalten, indem das vom sogenannten Quarzresonator aufgenommene Spannungssignal verstärkt und per Rückkopplung an den Resonator zurückgeführt wird. Ein Resonator besteht aus zwei elektrisch leitenden Platten, zwischen denen sich ein Quarz-Blank befindet (Bild 7). Um die Oszillation in Gang zu setzen, erzeugt ein Steuerschaltkreis ein Feld, das den Quarz in ein instabiles Gleichgewicht bringt. Durch die positive Rückkopplung im System wird jedes Signal verstärkt und die Oszillation erhöht. Der Resonator wirkt dabei wie ein Frequenzfilter, das nur für ein sehr schmales Frequenzband um die Eigenfrequenz des Quarzes durchlässig ist. Quarzoszillatoren zeichnen sich durch ein sehr geringes Phasenrauschen aus. Da der Quarz vorwiegend entlang einer Achse schwingt, ist nur eine Phase dominant. Auf diese Weise kann er ein sehr stabiles Signal erzeugen. Die Resonanzfrequenz eines Quarzes kann jedoch 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 (so genannte TCXO bzw. OCXO) entwickelt, die eine hohe Signalstabilität gewährleisten, um den heutigen technologischen aber auch kommerziellen Anforderungen des Marktes zu genügen. ◄ hf-praxis 5/2017 31