11-2012

Quarze
Auswahl von Quarzen – (k)ein Problem!?
Immer mehr
Funkanwendungen
gelangen auf
den Markt.
Quarzoszillatoren
sind üblicherweise
wichtige Komponenten
moderner
Elektronik, wobei die
Quarzauswahl mit über
die Leistungsfähigkeit
dieser Baugruppen
entscheidet. Es ist
daher wichtig, zu
verstehen, wie ein
Quarz funktioniert
und worauf es bei der
Auswahl ankommt.
Ing. Frank Sichla
Bild 1: Übliches Ersatzschaltbild eines Quarzes
Es gibt aus Praktiker-Sicht
bekanntlich zwei Grundtypen
von Quarzen: Grundwellen- und
Oberwellenquarze. Der Aufbau
ist prinzipiell gleich, jedoch sind
die Oberwellenquarze für die
Erregung auf der dritten, fünften
oder siebten Grundwellenfrequenz
optimiert (z.B. als Gabelschwinger).
Sie arbeiten dabei
besser als ein reiner Grundwellenquarz
(Dehnungs- oder Biegungsschwinger),
mit dem dies
grundsätzlich auch möglich ist.
Achtung bei
HF-Schaltungen!
Während man bei der Auswahl
von Mikrocontroller-Quarzen
nicht besonders penibel sein
muss, sollte man bei reinen HF-
Schwingschaltungen sehr sorgsam
vorgehen. Ein Quarz bietet
eng nebeneinander eine Parallelund
(darüber) eine Serienresonanz.
Welche von beiden ausgenutzt
wird, erkennt man daran,
wie der Quarz in die Rückkopplungsschleife
eingesetzt wird:
Wird am stärksten rückgekoppelt,
wenn der Quarz einen geringen
oder hohen Widerstand präsentiert?
Liegt der Quarz nur an
der Steuerelektrode des aktiven
Bauelements, dann wird z.B. die
Parallelresonanz genutzt. Oberwellenerregung
erfolgt in der
Regel durch Ausnutzung der
Serienresonanz.
Bild 2: Scheinwiderstandsverlauf eines Quarzes mit
Serienresonanz f S und Parallelresonanz f P
Ein Quarzoszillator verspricht
nicht nur eine hohe Frequenzstabilität,
sondern auch geringstes
Eigenrauschen. Das ist in
der Analogtechnik ein oft sehr
wichtiger Punkt, für Taktanwendungen
jedoch in gewissen
Grenen vernachlässigbar.
Es gibt viele Grundkonzepte für
Schwingschaltungen. Bewährt,
weil relativ unkritisch in der
Dimensionierung und gut in
den Ergebnissen, sind die Schaltungen
nach Colpitts (Parallelresonanz)
und Pierce (Reihenresonanz).
Stets wirken äußere
Kapazitäten ein wenig frequenzbestimmend
mit. Die Hersteller
geben ihre Nennfrequenz daher
für eine bestimmte „Bürdekapazität“
an. Durch eine äußere
Kapazität kann man einen Quarzoszillator
in der Frequenz „ziehen“.
Für hohe Stabilität sollte der
Quarz durch die Schaltung möglichst
wenig belastet werden,
denn das bedeutet eine geringe
Temperaturentwicklung im
Quarz. Grundsätzlich sollte man
jeden Gleichstromfluss durch
einen Koppelkondensator unterbinden.
Universelle Konzepte, in
denen „jeder“ Quarz schwingt,
sind mehr als eine Größenordnung
instabiler als sorgfältig
bemessene Schaltungen, die auf
den eingesetzten Quarz abgestimmt
wurden. Feldeffekttransistoren
bieten oft Vorteile gegenüber
bipolaren Transistoren.
Typen und Stabilität
Man verwendet üblicherweise
folgende Bezeichnungen für
Quarzoszillatoren:
• XO oder PXO = einfacher
Oszillator, Crystal Oscillator
oder Package Crystal Oscillator
• VXO = gezogener Oszillator,
Variable XO
• VCXO = spannungsgesteuerter
Oszillator, Voltage-Controlled
XO
• TCXO = temperaturkompensierter
Oszillator, Temperature-Compensated
XO
• OCXO = temperaturstabilisierter
Oszillator (Quarzofen,
Thermostat), Ovenid XO
12 hf-praxis 11/2012