VCXO

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 und in Uhren zu finden.

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) und Quarzöfen (per Thermostat beheizte Oszillatoren) (OCXO – Oven Controlled Crystal Oscillator) („X“ jeweils für Xtal, Kurzform von Crystal).

Eine weitere Abart bilden Oszillatoren mit per Spannung steuerbarer („ziehbarer“) Frequenz (VCXO – Voltage Controlled Crystal Oscillator – bzw. TCVCXO und OCVCXO für temperaturkompensierte und beheizte Oszillatoren). Dabei kann die Frequenz meist nur in der Größenordnung von 100 ppm verändert werden. Typische Anwendung von VCXOs sind steuerbare Oszillatoren in Phasenregelschleifen.

Quarzoszillator aus Logikgattern

Quarzoszillator mit IC

Inverter in CMOS-Technik

Induktive und kapazitive Anzapfung

Das Oszilloskop zeigt einen durch Clipping begrenzten Sinus

Die Schaltung verwendet zwei invertierende CMOS-Logik-Gatter. Das erste Gatter wird durch eine Gegenkopplung (5-MOhm-Widerstand) außerhalb der üblichen Beschaltung betrieben - er wird zum Analogverstärker und würde ohne Quarz wilde Schwingungen entsprechend seiner internen Signallaufzeit ausführen. Der Quarz schwingt 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 des 30-pF-Kondensators oder des 5-kOhm-Widerstandes geringfügig ändern.

Funktion: Das Bild ganz rechts zeigt das (vereinfachte) Innenleben einer Einheit des CMOS-Bausteins. Im Prinzip ist das ein sehr einfacher Transistorverstärker, der das Eingangssignal verstärkt und invertiert. Er erzeugt also eine Phasenverschiebung von 180°. Der 5 MOhm - Widerstand wirkt als Negative Rückkopplung und erledigt zwei Aufgaben:

• Die Ausgangsspannung liegt bei 2,5 V und nicht bei 0 V oder +5 V, wie man es von einem nicht rückgekoppelten Gatter kennt. Die Ausgangsspannung hat also nach "oben" und "unten" Spielraum.
• Eine geringe überlagerte Wechselspannung am Eingang erscheint etwa um den Faktor 20 verstärkt am Ausgang. Beispielsweise wird aus einem Eingangssignal (5 mV)*sin(t) ein verstärktes Ausgangssignal (-100 mV)*sin(t).

Bei Parallelresonanz hat der Schwingquarz zusammen mit den Kapazitäten der Schaltung eine Phasenverschiebung von 180°. Das wird in den nächsten Bildern erklärt: Wenn eine Anzapfung der Spule geerdet ist, sind die Spannungen des Schwingkreises an A und B gegenphasig. Das gleiche gilt, wenn man den Kondensator "anzapft": Auch im rechten Teilbild sind die Spannungen an C und D gegenphasig. Das wird bei der Oszillatorschaltung ausgenutzt (siehe auch: Clapp-Schaltung mit Röhre):

• Der Schwingkreis entspricht dem Quarz
• Zwischen einem Ende des Quarzes und Masse liegt der 30 pF-Kondensator.
• Am anderen Ende des Quarzes ist die Eingangskapazität des ICs zu beachten.

Da das Ersatzschaltbild eines Quarzes kompliziert ist, beträgt die Phasenverschiebung nicht genau 180°. In der Praxis werden es wohl etwa 175° sein. Eine Oszillatorschaltung erfordert, dass:

1. die Schleifenverstärkung vom (Ausgang zum Eingang) mindestens 1 ist (keine Abschwächung).
2. die Phasenverschiebung der Rückkopplungsschleife bei dieser Frequenz ein Vielfaches von 360° beträgt.

Die erste Bedingung ist sicher „über“-erfüllt, der Oszillator schwingt und liefert wegen Übersteuerung ein verzerrtes sinusförmigs Signal. Dieses wird durch den nachfolgenden Inverter in ein sauberes Rechtecksignal verwandelt.
Um die zweite Bedingung zu erfüllen, fehlen noch 5°, die durch das RC-Glied 5 kOhm/30 pF etwa realisiert werden. Auf dieses RC-Glied kann man bei hohen Frequenzen oft verzichten, weil die interne Laufzeit des Signals im Verstärker wie eine kleine Phasenverschiebung wirkt.

Damit ist der Rückkopplungsweg vollständig beschrieben. Die roten Leitungen versorgen den IC mit der Betriebsspannung.

Die Schaltung wird normalerweise als Taktgenerator in Uhren oder Mikroprozessoren eingesetzt. Das Ausgangssignal ist nicht sinus-, sondern rechteckförmig und deshalb geeignet zur Steuerung anderer Digitalbausteine wie Gatter oder Flipflops.

Quarzoszillator mit diskreten Bauelementen

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.

Variable Crystal Oscillator (VXO)

Der VXO (engl.: variable crystal oscillator) ist ein Quarzoszillator, der sich durch Zuschaltung eines Trimmers 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.

Quarzoszillator-Bausteine

Quarzoszillator in DIL-14-kompatiblem Metallgehäuse

Diese Quarzoszillatoren werden mit einem Metall- oder Plastgehäuse 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 (Millionsteln) 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). Pin 1 des Quarzoszillators ist in der Regel mit einem Punkt an der Gehäuseoberseite gekennzeichnet. Er ist nicht angeschlossen und dient nur der mechanischen Stabilität und Symmetrie des Bauteils. Der Pin rechts daneben ist bei DIL 14 Pin 7 und bei DIL 8 Pin 4 (Zählung wie beim Standard-DIL-Gehäuse, das 14 bzw. 8 Pins hat). Er wird mit GND (Masse) verbunden. Der Pin darüber ist bei DIL 14 Pin 8 und bei DIL 8 Pin 5. An ihm ist das Taktsignal zu entnehmen. Der vierte Pin ist bei DIL 14 Pin 14 und bei DIL 8 Pin 8. Er wird mit der Versorgungsspannung (meist +5 V) verbunden.

Weblinks

Oszillatorschaltungen mit Erklärung;

Quarzkochbuch, Deutsches Standardwerk zu Quarzen und deren Beschaltung

Fundamentals of Quartz Oscillators (engl.); Application Note von Hewlett-Packard.