Einführung

Ein Quarzoszillator ist eine Schaltung zur Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Wechselspannungen. Als frequenzbestimmendes Bauelement enthält der Oszillator einen Schwingquarz. Quarzoszillatoren überzeugen mit ihrer Frequenzgenauigkeit und Frequenzstabilität. In der Praxis finden die Schaltungen sehr häufig als Taktgeber für Funkgeräte, Prozessoren und Mikrocontroller Verwendung. Es verwundert daher nicht, dass Quarze und Quarzoszillatoren als die wohl wichtigsten Komponenten der Frequenzsteuerung in der Datenübertragung und Telekommunikation gelten. Ihre wesentlichen Vorteile liegen unter anderem in der hohen Resonanzgüte, der großen Auswahl an Oszillatoren und der hohen Frequenzstabilität begründet.

Professionelle Anwendungen, wie Messgeräte, Geräte zur Satellitennavigation oder Telekommunikationsgeräte beispielsweise haben sehr hohe Anforderungen an die verbauten Oszillatoren wie beispielsweise eine gute Frequenzstabilität, geringes Phasenrauschen und eine lange Lebensdauer. Um dies zu erreichen, muss auch der verwendete Quarz über verbesserte Alterungseigenschaften verfügen, um so eine entsprechende Gesamtleistung erzielen zu können. Quarzoszillatoren können allgemein in folgende Gruppen aufgeteilt werden:  Oszillatoren mit fester Frequenz (XO) spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCXO), temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXO) oder temperatur-geregelte „Oven Controlled Xtal Oscillators“ OCXOs.

Quarzoszillator (XO)

Die einfachste Form eines Quarzoszillators ist der X-tal Oszillator (XO). Im Allgemeinen besteht er aus einer elektrischen Schalung, welche als rückgekoppelter Verstärker wirkt. Im Rückkopplungsnetzwerk ist der Schwingquarz als Frequenzbestimmendes Bauteil integriert. Ist die Schleifenverstärkung größer 1, beginnt der Oszillator aus dem Rauschen heraus auf der Frequenz zu schwingen, bei der die Phasenverschiebung der gesamten Schleife einen Vielfachen Wert von 2π annimmt.

Durch einfügen einer Lastkapazität, die sich in Reihe zum Schwingquarz befindet, kann die Resonanzbedingung geändert werden und somit die Resonanzfrequenz in einem geringen Bereich verändert werden. Hiermit können Fertigungsbedingte Abweichungen in der Quarzfrequenz ausgeglichen werden und er Oszillator auf die benötigte Nennfrequenz abgeglichen werden.   Der Schwingquarz kann nicht nur in seiner Grundschwingungsmode betrieben werden, sondern auch in höheren Obertonmoden. Physikalisch sind hierbei nur die ungeraden Obertöne (3, 5, 7, usw.) möglich. (Hinweis: Die Benennung der Obertöne bei Quarzoszillatoren ist historisch bedingt und stimmt nicht mit der klassischen Zählung der Obertöne einer Schwingung überein. Ein Quarzoszillator im 3. Oberton schwingt eigentlich in der 3. Harmonischen, was physikalisch dem 2. Oberton entspricht).   Sowohl der Schwingquarz, als auch alle elektronischen Bauteile ändern mehr oder weniger ihre elektrischen Eigenschaften abhängig von der Umgebungstemperatur. Einfache XOs sind direkt der Umgebungstemperatur ausgesetzt, weshalb die Ausgangsfrequenz eine deutliche Temperaturabhängigkeit im Bereich von bis zu 100 ppm über den Temperaturbereich -40 °C – +85 °C.  

Spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO)

Die Lastkapazität wird beim ungesteuerten Quarzoszillator (XO) dafür verwendet, um bei der Produktion den Oszillator mit einer fest eingebauten Kapazität auf die Nennfrequenz abzugleichen. Durch Alterungseffekte kann sich allerdings die Eigenfrequenz des Systems mit der zeit verändern. Um die Frequenz des Oszillators nachträglich in geringem Maße verändern zu können, kann anstatt einer festen Kapazität eine sogenannte Kapazitätsdiode in Reihe mit dem Schwingquarz verbaut werden. Diese Diode hat eine veränderbare Kapazität abhängig von der an ihr angelegten Spannung, der sogenannten Ziehspannung.   Ein ziehfähiger, also ein in seiner Frequenz veränderbarer Oszillator wird VCXO (Voltage controlled X-tal oscillator) genannt.   Typischerweise wird die Kapazitätsdiode so ausgelegt, dass durch die Änderung der Lastkapazität alle Frequenzabweichungen durch Temperaturunterschiede und Alterung ausgeglichen werden können.

Temperaturkompensierter Quarzoszillator (TCXO)

Die Ziehfähigkeit eines VCXO kann ausgenutzt werden, um Oszillatoren herzustellen, welche durch ein internes Kompensationsnetzwerk die Temperatureinflüsse ausgleichen und somit einen deutliche geringeren Temperaturgang aufweisen.   Hierzu wird die Spannung an der Kapazitätsdiode so verändert, dass die Kapazitätsänderung der temperaturbedingten Frequenzänderung entgegenwirkt.

Der unkompensierte Temperaturgang kann näherungsweise mit einem Polynom 3. Grades beschrieben werden. Hieraus ergibt sich eine Kompensationsspannung, die entweder durch ein analoges Kompensationsnetzwert oder einen entsprechenden integrierten Schaltkreis erzeugt wird und ebenfalls durch ein Polynom beschrieben wird. Bei modernen ICs sind Polynome bis zum Grad 6 üblich. Der kompensierte Temperaturgang weißt für eine guten TCXO eine Abweichung von nur noch wenigen ppm auf.   Auch eine Kombination aus temperaturkompensiertem und spannungsgesteuertem Quarzoszillator sind möglich. Diese Kombinationen werden als VCTCXO angeboten.

Temperaturstabilisierter Quarzoszillator (OCXO)

Die besten Frequenzgenauigkeiten können mit Temperaturstabilisierten Quarzoszillatoren (OCXO, Oven controlled X-tal oscillator) erreicht werden. Hierbei wird der Schwingquarz, sowie die Hauptkomponenten der elektrischen Oszillatorschaltung druch eine Heizungsregelung auf konstanter Temperatur gehalten. Hierdurch entfällt der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Frequenzstabilität.   Die Heizung des Oszillators ist so ausgelegt, dass der Quarz auf die Temperatur seines oberen Umkehrpunktes geheizt und bei dieser Temperatur gehalten wird (in der Regel ca. 80-100°C). Am oberen Umkehrpunkt ist die Temperaturabhängigkeit des Quarzes am geringsten, wodurch kleine Temperaturschwankungen nur einen geringen Einfluss auf die Frequenz haben.   Die Stabilität eines OCXO hängt stark von der Qualität der Heizungsregelung ab, die schnell und ohne Überschwingen auf Änderungen der Außentemperatur reagieren muss.

Grundbegriffe

Nennfrequenz: Mittlere Betriebsfrequenz, für die der Oszillator entwickelt wurde

• Frequenztoleranz: Abweichung der tatsächlichen Frequenz nach Herstellung von der Nennfrequenz

• Frequenzstabilität: Frequenzänderung innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches

• Alterung: maximal zulässige relative Änderung der Frequenz innerhalb eines spezifizierten Zeitintervalls

• Ziehspannung: zulässiger Spannungsbereich am Zieheingang des Oszillators, der zur Korrektur der Ausgangsfrequenz genutzt werden kann

• Versorgungsspannung: Spannungsbereich, in dem der Oszillator zuverlässig innerhalb der Spezifikationen betrieben werden kann.

Aufheizzeit: Zeitdauer nach dem Einschalten, nach der der Oszillator eine definierte Abweichung der regulären Betriebsfrequenz aufweist