Oszillatoren

Im Allgemeinen ist ein Quarzoszillator ein rückgekoppelter Verstärker (PLL), wobei im Rückkopplungsnetzwerk meiste der Schwingquarz als frequenzbestimmendes Bauelement enthalten ist. Die Quarzoszillatoren werden in Kategorien entsprechend ihren grundlegenden Eigenschaften eingeteilt

1. Quarzoszillatoren (Clock Oscillators)

Quarzoszillatoren oder auch PO/PXO (Package oscillators / package crystal oscillators ) genannt, sind Taktgeber die meist aus einem Quarz und entsprechender Beschaltung (PLL) bestehen. Der Oszillatorerzeugt am Ausgang der Schaltung eine spezifische Referenzfrequenz mit definiertem Pegel. Die Frequenz wird weitgehend durch den internen Resonator bestimmt, ebenso ist die Temperaturveränderung maßgeblich durch den verwendeten Kristall beeinflusst. Abhängig von dem Betriebstemperaturbereich liegt die Frequenzstabilität zwischen 100ppm bis zu 10ppm. Diese Oszillatoren werden zur Ansteuerung von z.B. TTL/CMOS Prozessoren in den Computern und in PCM-Systems eingesetzt

2. Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCXO Voltage Controlled Crystal Oscillators / VCO Voltage Controlled Oscillators)

Die Ausgang Frequenz dieser Oszillatoren kann also durch eine zweite externe Steuerspannung geändert oder moduliert werden. Dabei kommen meist Kapazitätsdioden zum Einsatz. Die Steuerspannung führt an der Kapazitätsdiode zu einer Änderung der Kapazität. Die Änderung der Kapazität (Lastkapazität am Resonator) wiederum hat eine Änderung der Resonanzfrequenz zur Folge hat. Die Oszillatorfrequenz lässt sich also geringfügig mit Hilfe einer Steuerspannung von extern beeinflussen. VCXO werden in der drahtlosen Kommunikationstechnik meist als Frequenzmodulatoren (Radiogetriebesysteme) und als Teil der PLL verwendet.

3. Temperaturkompensierter Oszillator (TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillators)

Mittels der analogen oder digitalen Ausgleich Methoden wird die Veränderung der Frequenz über der Temperaturspanne entgegengewirkt und die Mittenfrequenz weitgehend stabilisiert. Analoge TCXO’s bedienen sich dabei eines Kompensationsnetzwerks. Temperaturabhängigen Widerständen oder Thermistoren zum Ausgleich der Temperaturschwankungen bilden meist diesen Regelkreis. Das Kompensationsnetzwerk wird so dimensioniert, dass es dem Temperaturkoeffizienten des Schwingquarzes entgegenwirkt. Bei digitalen TCXO’s wird das Kompensationsnetzwerk aus Widerständen durch eine digitale Regeleinheit ersetzt.

Abhängig von der Temperaturspanne liegt die Frequenzstabilität zwischen 0.5ppm bis 5ppm. TCXO werden meistens bei portablen Funkapplikation und mobilen Radiostationen, sowie für Basisstationen im Mobilphone Bereich verwendet. Weitere Anwendungen finden sich bei Navigationsanlagen und Messsystemen.

4. Spannungsgesteuerte, temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (VCTCXO Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillators).

Der VCTCXO ist eine Kombination der Eigenschaften von TCXO und von VCXO. Es verbindet die Eigenschaften einer Temperaturausgleichs der Oszillatorfrequenz (TCXO) und der Möglichkeit die Mittenfrequenz durch ein externes Spannungssignal (VCXO) zu modulieren.

5. Programmierbare Oszillatoren (One Time Programmable Crystal Oscillators)

Programmierbare Oszillatorenwerden zunächst als "Blanks" gefertigt und können zu einem späteren Zeitpunkt durch die Programmierung einer internen PLL auf die gewünschte Ausgangsfrequenz eingestellt werden. Im internen Speicher wird die Frequenz festgeschrieben. Gewöhnlich wird einer dieser Parameter verwendet, um einen justierbare kapazitive Last im Stromkreis zu programmieren, die mit einem Kristall verbunden ist. Dadurch wird die Quarzfrequenzmittenfrequenz justiert. Zusätzliche Parameter werden verwendet um z.B. Frequenz der PLL zu teilen.
Der besondere Vorteil, kleinere Mengen (Labormuster, Vorserie) können kundenspezifisch programmiert werden und innerhalb kurze Zeit ausgeliefert werden können. Dennoch sind sie verglichen mit traditionellen Oszillatoren verhältnismäßig rauschbehaftet und liegen preislich über den konventionellen Typen.

6. Ofengesteuerte Oszillatoren (OCXO, oven controlled crystal oscillator)

Wird eine sehr hohe Temperaturstabilität gewünscht greift man zu OCXO’s. Der interne Schwingquarz wird auf eine definierte Temperatur gebracht, die höher als die zu erwartende Betriebstemperatur liegt. Dadurch können sich Temperaturschwankungen nicht mehr auf den Quarz auswirken.

7. MEMS Oszillatoren

Heutige Taktgeber und die TIMING-Stromkreise sind in Der Regel entweder mit Quarz-Kristallen oder keramischen Resonatoren als Frequenzquelle konstruiert, oder kombiniert mit einem Oszillatorschaltkreis.
MEMS bedeutet buchstäblich „Micro Electro-Mechanical Systems” (elektromechanische Mikrosysteme). MEMS Strukturen bestehen heute aus mechanische und/oder elektromechanische Ministrukturen, die entworfen sind, um Aufgaben durchzuführen, die vorher mit wesentlich größeren mechanischen Strukturen aufgebaut wurden. Der Hauptnutzen der MEMS-Struktur ist: kleinere Größe, niedrigere Energieverbrauch und geringere Kosten. Schon Heute finden Sie MEMS in hohen Stückzahlen im Einsatz in Bereichen einschließlich Sensoren, Druckanzeiger und Videoprojektion beim TV.
CMOS Resonatoren sind eine neuen Durchbruchtechnologie, die Quarz und keramische Resonatoren als Frequenzquelle in den meisten elektronischen Systemen ersetzen können. Sie bieten zusätzlich Leistungsvorteilen gegenüber den bestehenden Technologien. CMOS Resonatoren sind in der Regel kleiner, niedrigere in der Energieaufnahme; und da Sie in den meisten CMOS Fabriken dieser Welt hergestellt werden können, bieten sie bedeutende Vorteile in der Gesamtfertigungskapazität und somit Kosten. CMOS Resonatoren sind am Anfang ihre Einführung und Erfolgsgeschicht und man erwartet gemäß „Moore’s Law“ auf zukünftigen Größen- und dem zu folgen Kostenreduzierung. CMOS Resonatoren bieten auch einen Weg in Richtung IC-Integration, die nicht mit Nicht-CMOS Produkten unrealisierbar ist.

In der Spalte Details der folgenden Tabelle, finden Sie weiterführende Informationen zu dem selektierten Bauelement.