Quarzoszillator

Ein Quarzoszillator ist eine elektronische Schaltung zum Erzeugen von Schwingungen, die sich eines Schwingquarzes als frequenzbestimmendes Bauelement bedient.

Im engeren Sinne ist ein Quarzoszillator eine fertig aufgebaute Oszillatorschaltung, die zusammen mit dem frequenzbestimmenden Quarz in einem Gehäuse eingebaut ist und als Standardbauteil erhältlich ist.

Quarzoszillatoren sind in ihrer Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit) sehr genau und haben Abweichungen von typisch unter 100 ppm. Andere einfache Oszillatorschaltungen, z. B. solche mit LC-Schwingkreisen, sind wesentlich ungenauer mit Abweichungen von der Nennfrequenz mit mehr als 1 % (10.000 ppm). In der Praxis ist der Quarzoszillator oft als Taktgeber für Prozessoren, Mikrocontroller, Funkgeräte und in Uhren zu finden. Zunehmend werden Quarzoszillatoren jedoch durch preisgünstigere Keramik-Resonatoren ersetzt.

Technischer Aufbau

Die in Quarzoszillator-Schaltungen verwendeten Schwingquarze sind meist Kristallplättchen, -stäbe oder -gabeln (wie eine Stimmgabel), die durch elektrische Spannung zu mechanischen Formänderungen gebracht werden können, die wiederum eine elektrische Spannung erzeugen. Die Reaktion ist durch die mechanischen Schwingungsmodi des piezoelektrischen Körpers (Schwingquarz oder auch ein Keramikschwinger) gegeben.

Ein Schwingquarz wird bei einer Wechselspannung bestimmter Frequenz zu besonders starken Resonanzschwingungen angeregt (diese Eigenschaft besitzen auch piezoelektrische Schallgeber). Diese Frequenz wird als Resonanzfrequenz bezeichnet. Sie ist bei geeignetem Kristallschnitt fast unabhängig von Umgebungseinflüssen wie Temperatur oder Amplitude und kann deshalb als präziser Taktgeber verwendet werden (Langzeitstabilität besser als 0,0001%).

Schwingende Quarzplatten können in folgenden elektrisch/mechanischen Modi betrieben werden:

• Serienresonanz: dabei ist ihr scheinbarer Widerstand für den Wechselstrom besonders gering und sie verhalten sich wie eine Serienschaltung aus einer Spule und einem Kondensator.
• Parallelresonanz: ihr scheinbarer Widerstand ist hierbei besonders groß. Dann verhalten sie sich wie eine Parallelschaltung von Kondensator und Spule mit der Besonderheit, dass kein Gleichstrom fließen kann (Quarz ist ein sehr guter Isolator). Diese Parallelresonanz liegt etwa 0,1% höher als die Serienresonanz und kann durch einen parallelgeschalteten kleinen Kondensator geringfügig geändert werden (sog. Ziehen des Quarzes)

Ein vergleichbares Schwingverhalten findet man auch bei der dreifachen, fünffachen, usw. Grundfrequenz. Einen Quarz mit einer Resonanzfrequenz von 9 MHz kann man so auch auf 27 MHz oder auf 45 MHz schwingen lassen. Speziell dafür geeignete Oberwellenquarze besitzen eine entsprechende Aufhängung, um diese Oberschwingungen nicht zu behindern.

Es besteht eine leichte Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Für größere Ansprüche an den Temperaturgang gibt es temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXO – Temperature Compensated Crystal Oscillator). Dabei werden zumeist Thermistoren eingesetzt, die eine Regelspannung erzeugen, die der temperaturabhängigen Frequenzänderung des Quarzes entgegenwirken. Die so erzeugte Spannung wird üblicherweise an eine Kapazitätsdiode angelegt, so dass die dadurch veränderte Kapazität die Frequenz des Quarzoszillators korrigiert.^[1]

Ist eine noch höhere Genauigkeit erforderlich, so kann ein Quarzofen verwendet werden, wobei der Quarz in ein mit einem Temperaturregler versehenen Gehäuse eingebaut ist, um umgebungstemperaturabhängige Einflüsse zu minimieren. Darin wird der Quarz elektrisch auf z. B. 70 °C erhitzt. Diese Bauform heisst OCXO (engl. Oven Controlled Crystal Oscillator). Das „X“ steht jeweils für Xtal, die Kurzform von Crystal.

Arten

Integrierte Schaltung

Quarzoszillator in DIL-14 Metallgehäuse

Diese Quarzoszillatoren werden mit einem Metall- oder Kunststoffgehäuse im Rastermaß von Integrierten Schaltungen hergestellt. Sie liefern eine Logik-kompatible Rechteckspannung (ein Taktsignal) mit sehr genau definierter Frequenz. Sie benötigen eine Betriebsspannung und enthalten alle für einen Oszillator erforderlichen Komponenten. Die Frequenz dieser Quarzoszillator-Bausteine ist auf der Gehäuseoberseite normalerweise in Megahertz aufgedruckt. Die Ungenauigkeit der Frequenz wird in ppm (englisch parts per million) angegeben. Je geringer diese Ungenauigkeit, desto aufwendiger (und damit teurer) ist das Bauteil.

Geläufige Bauformen für die Durchsteckmontage sind DIP 14 (rechteckig, siehe Bild) und DIP 8 (quadratisch). Daneben gibt es Quarzoszillatoren auch in kleineren Chipgehäuse als Surface-mounted device (SMD). Übliche Versorgungsspannungen orientieren sich an der Versorgung von digitalen Schaltungen wie 1,8 V, 2,5 V oder 3,3 V und die früher häufig bei Transistor-Transistor-Logik (TTL) verwendeten 5 V.^[2]

Pierce-Schaltung

Pierce-Schaltung mit Logikgattern

→ Hauptartikel: Pierce-Schaltung

Insbesondere in der Digitaltechnik werden zur Erzeugung von Taktsignalen Logik-Gatter, üblicherweise Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingängen, verwendet. Die betreffende Schaltung wird als Pierce-Schaltung bezeichnet und ist durch einen einfachen Aufbau ohne Spulen gekennzeichnet. Die Inverterstufe U₁, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, kann auch Teil von integrierten Schaltungen (IC) sein, wobei an dem IC dann nur die Anschlusspins für den extern anzuschliessenden Schwingquarz X herausgeführt sind. (typischweise mit Bezeichnungen wie XTAL gekennezeichnet). Dieser Oszillator lässt sich auch mit Hilfe von CMOS-Inverterstufen realisieren was seine große praktische Verbreitung begründet.

Der Quarz schwingt in dieser Schaltung in Parallelresonanz und gestattet nur Schwingungen entsprechend seiner Grundfrequenz. Die Schaltung ist ohne große Änderung für alle Quarzfrequenzen zwischen etwa 30 kHz und 10 MHz verwendbar, die erzeugte Frequenz kann man durch Variation der beiden Kondensatoren C₁ und C₂ geringfügig ändern.

Die zweite Inverterstufe U₂ dient als Verstärkerstufe und der Impulsformung: Am Ausgang wird durch U₂ eine Rechteckschwingung erzeugt, welche direkt als Taktsignal für digitale Schaltung, wie getaktete Flipflops oder Mikroprozessoren, verwendet werden kann.

Diskreter Aufbau

Diese Schaltung ist für höhere Frequenzen dimensioniert und erzeugt - je nach Resonanzfrequenz des Schwingkreises - entweder 15 MHz oder 45 MHz. Den Schwingkreis muss man etwa auf die Frequenz der ungeraden Oberwelle des Quarzes abstimmen, die man erzeugen möchte. Das Synchronisieren der Frequenzen von Quarz und Schwingkreis kann man an der sprunghaften Änderung der Spannung zwischen den Messpunkten A und B erkennen. Auffallend an dieser Schaltung ist das Fehlen einer sichtbaren Rückkopplung. Trotzdem funktioniert diese Schaltung, weil der Transistor interne Kapazitäten sowohl zwischen Kollektor und Emitter als auch zwischen Basis und Emitter besitzt.

Funktion: Wenn man den Quarz durch einen Kondensator ausreichender Kapazität (einige nF) ersetzen würde, hätte man einen Transistorverstärker in Basisschaltung, wie er oft in UKW-Verstärkern verwendet wird. Diese Schaltung besitzt keine Phasenverschiebung zwischen dem Eingang am Emitter und dem Ausgang am Kollektor. Durch eine kleine Kapazität (wenige pF genügen) zwischen Kollektor und Emitter kann man eine Rückkopplung herstellen, die aus dem Verstärker einen Oszillator macht.

In nebenstehender Schaltung genügt dafür die interne Kapazität des Transistors zwischen C und E. Diese Rückkopplung erzeugt aber eine Phasenverschiebung, die mehr bei 90° als bei den erforderlichen 0° liegt, weil zwischen Basis und Emitter der Eingangswiderstand des Transistors und nicht auch ein Kondensator liegt. Das wird mit dem kleinen 10-pF-Kondensator links korrigiert. Die Frequenz dieses Oszillators wird durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises am Kollektor bestimmt.

Wenn man nun den Kondensator an der Basis wieder - wie gezeichnet - durch ein Schwingquarz ersetzt, kann der Oszillator nur dann schwingen, wenn die Basis wechselstrommäßig „kalt“ ist, wenn also das Quarzelement einen besonders geringen Wechselstromwiderstand darstellt. Das ist der Fall bei Serienresonanz und allen ungeraden Vielfachen. Bei allen anderen Frequenzen ist die Verstärkung der Basisschaltung zu gering und die Schwingungen werden nicht angefacht.

Verstellbare Quarzoszillatoren

Der (engl.:) variable xtal (= crystal) oscillator, kurz VXO, ist ein Quarzoszillator, der sich durch Zuschaltung eines Trimmkondensators in seiner Frequenz in geringem Umfang verändert werden kann (einige ppm). Vor der Verfügbarkeit genau gefertigter Schwingquarze waren solche Trimmer nötig, um zum Beispiel die Ganggenauigkeit von Quarzuhren abzugleichen. Ist der Quarzoszillator durch elektrische Spannung trimmbar, wird er VCXO (engl. voltage controlled crystal oscillator, Quarz-Oszillator mit über Spannung trimmbarer Frequenz) genannt. TCVCXO und OCVCXO steht für temperaturkompensierte und beheizte Oszillatoren.

Die Regelspannung kann z. B. Temperaturabhängigkeiten oder Alterung entgegenwirken. Dabei kann die Frequenz meist nur in der Größenordnung von 100 ppm verändert werden. Das Einsatzgebiet sind häufig Frequenzgeneratoren, steuerbare Oszillatoren in Phasenregelschleifen und andere Hochfrequenzmess- und Prüfgeräte.

Literatur

• Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Das Grosse Quarzkochbuch. Franzis-Verlag, Feldkirchen 1997, ISBN 3-7723-5853-5 (Deutsches Standardwerk zu Quarzen und deren Beschaltung, Kapitelweise als PDF, abgerufen am 12. September 2009).
• Wes Hayward, Rick Campbell, Bob Larkin: Experimental Methods in RF Design. The American Radio Relay League, Newington, CT, USA 2003, ISBN 0-87259-879-9.

Weblinks

• Oszillatorschaltungen mit Erklärung
• Fundamentals of Quartz Oscillators (engl.); Application Note von Hewlett-Packard.

Einzelnachweise

1. ↑ TCXOs - Temperature Compensated Crystal Oscillators Informationsseite auf dem Webangebot der Firma Wenzel Associates, abgerufen am 6. September 2011
2. ↑ Technisches Datenblatt, Integrierter Quarzoszillator, Epson Toyocom