Auswahl und effektiver Einsatz eines Oszillators

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Das Aufkommen synchroner digitaler Systeme hat dazu geführt, dass aus dem unscheinbaren Oszillator das Kernstück moderner digitaler Systeme auf Mikrocontroller-Basis geworden ist. Seine vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten haben eine enorm breite Palette an Oszillatorquellen und -konfigurationen hervorgebracht, in denen vielfältige Resonatorstrukturen zum Einsatz kommen.

Dennoch wird der Auswahl von Oszillatoren häufig noch immer keine große Beachtung beigemessen, da das Verständnis ihrer Verwendung aufgrund einer Vielzahl an Resonatoren, verschiedensten internen Verstärkern und diversen Systemen zur Temperaturstabilisierung nicht sehr gut ausgeprägt ist. All diese Dinge wirken sich auf Größe, Genauigkeit, Stabilität und Kosten der Komponente sowie auf ihre Verwendung in einem Design aus.

Dieser Artikel soll Entwicklern ein besseres Verständnis von Betrieb und Struktur von Oszillatoren vermitteln. Außerdem wird auf ihre wichtigen Spezifikationen und ihre Abstimmung auf die Anforderungen eines Designs eingegangen.

Dabei werden die Wellenform des Ausgangssignals, Frequenzgenauigkeit und -stabilität, das Phasenrauschen, der Jitter, Last- und Temperaturabweichungen, die Kosten sowie die beste Art und Weise zur Verwendung von Oszillatoren untersucht, damit das Design von Erfolg gekrönt ist.

Grundlagen zu Oszillatoren

Oszillatoren sind elektrische Schaltkreise, die periodische Wellenformen mit einer gewünschten Frequenz erzeugen. Ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Oszillators beinhaltet einen Verstärker und einen Rückkopplungspfad mit einem frequenzselektivem Rückkopplungsnetzwerk (Abbildung 1). Die Oszillation kann initiiert und aufrechterhalten werden, falls die Schleifenverstärkung bei der gewünschten Oszillationsfrequenz gleich oder größer 1 ist, während gleichzeitig die Phasenverschiebung der Schleife gleich einem Vielfachen von 2π rad ist. Hierbei handelt es sich um eine positive Rückkopplungsbedingung.

Das frequenzabhängige Netzwerk kann ein LC- (Induktivität/Kondensator) oder ein RC-Netzwerk (Widerstand/Kondensator) sein, wobei für Präzisionsoszillatoren üblicherweise ein Resonator verwendet wird. Der Resonatortyp ist eine der Spezifikationen, die man genauer betrachten muss, da jeder Resonator seine eigenen Stärken und Schwächen hat.

Funktionsdiagramm eines einfachen Oszillators

Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt das Funktionsdiagramm eines einfachen Oszillators bestehend aus einem Verstärker mit einem frequenzselektiven Netzwerk oder einem Resonator in einer positiven Rückkopplungskonfiguration. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Häufig zum Einsatz kommende Resonatoren sind Quarzkristalle, SAW-Filter (Surface Acoustic Wave) oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS).

Wenn ein Oszillator wie dieser zum ersten Mal eingeschaltet wird, ist im Schaltkreis nur ein Rauschen zu hören. Das Rauschen bei einer Frequenz, die den Verstärkungs- und Phasenzuständen für die Oszillation genügt, zirkuliert aufgrund der positiven Rückkopplung des Schaltkreises mit zunehmender Amplitude in der Schaltkreisschleife. Die Signalamplitude nimmt so lange zu, bis sie durch die Eigenschaften des Verstärkers oder eine externe automatische Verstärkungsregelung (AGC, Automatic Gain Control) beschränkt wird. An diesem Punkt kann die Wellenform des Signals am Oszillatorausgang geregelt werden, wobei die Wahl üblicherweise auf ein sinusförmiges, ein abgeschnittenes sinusförmiges oder ein logisches („0“ oder „1“) Ausgangssignal fällt. Für logische Ausgangssignale muss außerdem eine Logikfamilie (HCMOS, TTL, ECL, LVDS usw.) ausgewählt werden.

Sinusförmige Ausgangssignale kommen primär bei der Erzeugung von Träger- und lokalen Oszillatorsignalen in Kommunikationsanwendungen zum Einsatz, bei denen die spektrale Reinheit des Signals ein zentrales Anliegen darstellt. Die Sinuswellenform weist lediglich bei der Grundfrequenz eine deutliche Leistung und wenig oder keine Leistung bei harmonischen Frequenzen auf.

Die Schlüsselspezifikation für Oszillatoren ist die Frequenzstabilität. Sie definiert, wie gut der Oszillator seine Frequenz beibehält. Eine ähnliche Spezifikation, welche die Drift der Oszillatorfrequenz über einen langen Zeitraum (üblicherweise ein Jahr) angibt, verliert immer mehr an Relevanz. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Anwendungen entwickelt sich die kurzfristige Phasenschwankung des Oszillators zu einem ernstzunehmenden Problem. Diese kurzfristige Phasenschwankung wird als das Phasenrauschen des Oszillators beschrieben. Das Phasenrauschen ist eine Spezifikation aus dem Frequenzbereich. Die entsprechende Spezifikation aus dem Zeitbereich ist der Phasenjitter bzw. der Zeitintervallfehler.

Resonatoren

Das Rückkopplungsnetzwerk des einfachen Oszillators kann eine beliebige aus mehreren Resonanzstrukturen sein. Die am häufigsten verwendete Struktur ist der Quarzkristall. Quarzkristallresonatoren arbeiten nach dem Prinzip des piezoelektrischen Effekts. Ein Kristall, an dem eine geringe Spannung anliegt, verformt sich und eine auf den Kristall wirkende Kraft erzeugt eine elektrische Ladung. Dieses elektromechanische Wechselspiel bildet die Grundlage eines sehr stabilen Oszillators. Dieser Effekt erzeugt Schwingungen mit bestimmten Frequenzen entsprechend dem Kristalltyp, der geometrischen Richtung des Kristallschnitts und der Kristallabmessungen.

Die Kristalle werden zwischen zwei Elektroden gehalten, die Ein- und Ausgang des Kristallresonators bilden. Unter diesen Bedingungen verhält sich der Kristall wie ein hoch selektiver LC-Schaltkreis (Abbildung 2). Beachten Sie, dass der Kristall in seiner Halterung durch einen RLC-Reihenschwingkreis dargestellt ist, der seine Reihenresonanzfrequenz darstellt, die von den Modellkomponenten LS und CS dominiert wird. Der parallel geschaltete Kondensator repräsentiert die Kapazität der Halterung und die zugehörige Verkabelung. Die Parallelkapazität CP reagiert mit der Serieninduktivität LS, was in einer Parallelresonanzfrequenz resultiert. Im Betrieb dominiert die Serieninduktivität den Resonatorbetrieb. Die fundamentalen Kristallfrequenzen bewegen sich im Bereich von Kiloherz (kHz) bis zu etwa 200 Megaherz (MHz).

Schaltbild: Ersatzschaltbildmodell eines Quarzkristalls

Abbildung 2: Diese Abbildung zeigt das Ersatzschaltbildmodell eines Quarzkristalls. Die Modellkomponenten LS und CS bestimmen die Reihenresonanzfrequenz, wohingegen LS, CS und CP die Parallelresonanz bestimmen. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Ein weiterer gängiger Resonator ist die SAW-Komponente (Abbildung 3).

Schaltbild: SAW-Filter/-Resonator mit Interdigitaltransducern

Abbildung 3: Ein SAW-Filter/-Resonator verwendet auf einem piezoelektrischen Substrat montierte Interdigitaltransducer, um akustische Oberflächenwellen über die Lücke zwischen den Transducern zu erzeugen, wodurch am Ausgang eine frequenzabhängige Antwort erzeugt wird. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der SAW-Filter ist eine frequenzselektive Komponente, die mit einer akustischen Oberflächenwelle arbeitet, die sich entlang der Oberfläche eines elastischen Substrats fortpflanzt. SAWs werden mithilfe von Interdigitaltransducern (IDTs) erzeugt und erkannt, die von Leiterbahnen auf dem Substrat gebildet werden (siehe Abbildung). SAW-Filter/-Resonatoren arbeiten in einem Frequenzbereich von 10 MHz bis 2 Gigaherz (GHz). Die Frequenz hängt dabei von den Abmessungen der IDT-Elemente und den Eigenschaften des Substratmaterials ab. Die Schaltkreismodelle für eine SAW-Komponente sind mit denen eines Quarzkristalls identisch. SAW-Resonatoren können mithilfe fotolithografischer Prozesse in kleinen Mengen kostengünstig wirtschaftlich hergestellt werden. Diese Oszillatoren werden als SAW-Oszillatoren oder SOs bezeichnet.

Die letzte Resonatortechnologie, auf die in diesem Artikel eingegangen wird, basiert auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Für MEMS werden standardmäßige Halbleiter-Fertigungsprozesse verwendet, um mechanische Miniaturelemente zu fertigen. Die Größen dieser Komponenten können im Bereich von Mikron bis Millimeter variieren. Resonatoren, die mit Hochfrequenz-Stimmgabeln verwandt sind, vibrieren bei elektrostatischer Anregung. Die Strukturen dieser Resonatoren werden mit einem programmierbaren Oszillator/Controller-IC kombiniert (Abbildung 4).

Schaltbild: MEMS-Oszillatormodul

Abbildung 4: Ein MEMS-Oszillatormodul kombiniert in einem einzigen Gehäuse eine mechanische MEMS-Struktur mit einem Oszillator/Controller-IC. (Bildquelle: SiTime)

Der Oszillator/Treiber regt die MEMS-Struktur an und leitet ihr Ausgangssignal an einen Fractional-N-Phasenregelkreis (PLL, Phase Locked Loop) weiter, der die Ausgangsfrequenz der MEMS-Komponente mit einem programmierbaren Faktor „N“ multipliziert. Im OTP-Speicher (One-Time-Programmable) werden die Konfigurationsparameter des Moduls gespeichert. Die Temperaturkompensation erfolgt durch Anpassung der Ausgangsfrequenz im PLL. Der PLL ist außerdem programmierbar, wodurch der Oszillator eine digital gesteuerte Ausgangsfrequenz erhält.

Der größte Vorteil des MEMS-Oszillators ist eine Immunität gegenüber mechanischen Erschütterungen und Vibrationen. Für mobile Anwendungen wie Mobiltelefone, Kameras und Uhren ist das ein wichtiger Faktor.

Oszillatorschaltkreise

Die Schaltkreistopologie modularer Oszillatoren hat sich über viele Jahrzehnte hinweg entwickelt und derzeit gibt es viele verfügbare Technologien. In fast allen Fällen wurden die Schaltkreisverbesserungen vorgenommen, um die Genauigkeit und die Stabilität der Ausgangsfrequenz des Oszillators zu verbessern. Beispiele aus den vorherigen Abschnitten sind die nicht auf Quarzkristallen basierenden SAW- sowie die MEMS-Oszillatoren. Die bei Quarzoszillatoren angewandten Techniken können bei jedem Oszillatortyp angewendet werden. Alle diese Oszillatoren sind für den Betrieb bei einer Lastkapazität von 15 Picofarad (pF) ausgelegt. Schwankungen der Lastkapazität wirken sich auf die Betriebsfrequenz aus.

Als Vergleichsbasis für diese Topologien wird der einfache Quarzoszillator (XO) verwendet (Abbildung 5). Dieses Beispiel wird mithilfe von Logikgattern implementiert und beinhaltet eine Varaktordiode zur Abstimmung. Diese einfachen Oszillatoren bieten eine Frequenzstabilität im Bereich von 20 bis 100 ppm (parts per million).

Schaltbild: einfacher, unter Verwendung von Logikwandlern implementierter Quarzoszillator

Abbildung 5: Ein einfacher, unter Verwendung von Logikwandlern implementierter Quarzoszillator umfasst eine Spannungsregelung über eine Varaktordiode, die mit dem Quarzoszillator in Reihe geschaltet ist. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der ASV-10.000MHZ-LCS-T von Abracon ist ein Quarzoszillator zur Oberflächenmontage. Er verfügt über einen digitalen Ausgang mit HCMOS-Logikebene. Der Hauptvorteil von Oszillatoren dieses Typs liegt darin, dass sie kostengünstig sind. Ihre Frequenzstabilität beträgt ±50 ppm, wobei andere Komponenten aus dieser Oszillatorfamilie Stabilitäten von 20 bis 100 ppm bieten. Die primäre Quelle für die Frequenzdrift sind Temperaturänderungen. Eine weitere Quelle ist die Kristallalterung bzw. die im Lauf der Zeit stattfindende Frequenzänderung. Die Alterungsraten sind proportional zur Basisstabilität. Bei diesem Oszillator beträgt die Alterungsrate ±5 ppm pro Jahr. XOs eignen sich für allgemeine Anwendungen, für die keine hohe Frequenzstabilität erforderlich ist. Ein Beispiel für eine solche Anwendung sind Taktquellen für Mikroprozessoren.

Der temperaturkompensierte Quarzoszillator (TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator) erfordert zusätzliche Schaltkreiselemente, um temperaturbezogene Schwankungen des Quarzresonators und des Verstärkers zu kompensieren (Abbildung 6).

Schaltbild: Quarzresonator und Verstärker

Abbildung 6: Der Quarzresonator und der Verstärker sind temperaturempfindlich. Der TCXO verfügt daher zusätzlich über einen Temperatursensor und eine Temperaturkompensation, um die Frequenzdrift zu korrigieren. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Ein Temperatursensor wie beispielsweise ein Thermistor wird verwendet, um eine Korrekturspannung zu erzeugen. Diese Spannung wird zur Regelung der Frequenz an eine spannungsvariable Varaktordiode angelegt, die mit dem Quarzoszillator in Reihe geschaltet ist. Dies funktioniert mittels Änderung der kapazitiven Last des Quarzkristalls. Durch die Temperaturkompensation kann die Frequenzstabilität um das Zwanzigfache oder mehr verbessert werden.

Der ASTX-H12-10.000MHZ-T von Abracon ist ein typischer TCXO mit einem HCMOS-Ausgangspegel und einer Frequenzstabilität von ±2 ppm. Die Kosten für einen TCXO sind etwa drei Mal so hoch wie für einen einfachen XO.

Bei einem anderen Ansatz zur Temperaturstabilisierung wird das Oszillatormodul in einem temperaturgeregelten Ofen eingeschlossen (Abbildung 7). Diese Topologie bezeichnet man als beheizten Quarzoszillator (OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator).

Schaltbild: Temperaturstabilisierung für den Oszillator mittels OCXO

Abbildung 7: Der OCXO stabilisiert die Temperatur des Oszillators, indem selbiger in einem Ofen eingeschlossen wird, dessen Temperatur derjenigen Temperatur entspricht, bei der die Frequenzkurve des Kristalls im Vergleich zu seiner Temperaturkurve eine Steigung von null hat. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der Quarzoszillator befindet sich in einem temperaturgeregelten Ofen. Die Ofentemperatur ist auf einen Wert eingestellt, bei dem die Frequenzkurve des Kristalls im Vergleich zu seiner Temperaturkurve eine Steigung von null hat, sodass geringfügige Temperaturänderungen zu einer geringen oder keiner Änderung der Oszillatorfrequenz führen. Der OCXO kann die Stabilität des Oszillators um mehr als das Tausendfache verbessern. Oszillatoren wie dieser werden für Anwendungsbereiche benötigt, in denen ein präzises Timing erforderlich ist. Solche Anwendungsbereiche sind beispielsweise Navigations- oder serielle Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme.

Der DOC050F-010.0M von Connor-Winfield ist ein OCXO mit LVCMOS-Ausgangspegeln. Er bietet eine Frequenzstabilität von ±0,05 ppm. Diese Leistungssteigerung geht im Vergleich zum einfachen Quarzoszillator aufgrund des Ofens mit einem höheren Leistungsverbrauch, größeren Komponenten und höheren Kosten (etwa das 30- bis 40-fache eines XO) einher.

Der bereits angesprochene MEMS-Oszillator ist ein Beispiel für den digital gesteuerten Oszillator (DCXO, Digitally Controlled Oscillator).

Der SIT3907AC-23-18NH-12.000000X von SiTime ist ein MEMS-basierter DCXO mit einem LVCMOS-Logikausgang und einer Frequenzstabilität von 10 ppm. Über seine interne PLL kann eine Frequenzänderung mit einem Ziehbereich von ±25 bis ±1600 ppm programmiert werden.

Ein Mikrocomputer-kompensierter Quarzoszillator (MCXO, Microcomputer Compensated Crystal Oscillator) verfügt über eine Frequenzstabilität, die der des OCXO mit einem kleineren Gehäuse bei geringerem Energiebedarf entspricht. MCXOs stabilisieren ihre Ausgangsfrequenzen auf eine von zwei Methoden. Bei der ersten wird die Oszillatorquelle bei einer Frequenz betrieben, die höher als der gewünschte Ausgang ist. Außerdem arbeitet sie mit Impulslöschung, um die gewünschte Ausgangsfrequenz zu erreichen. Bei der zweiten Methode wird die interne Oszillatorquelle etwas unterhalb der gewünschten Ausgangsfrequenz betrieben und der Ausgangsfrequenz der Quelle wird eine Korrekturfrequenz hinzugefügt, die von einem internen DDS (Direct Digital Synthesizer) erzeugt wird.

Der LFMCXO064078BULK von IQD Frequency Products ist ein HCMOS-kompatibler MCXO mit einer Frequenzstabilität von 0,05 ppm. Die Produktfamilie umfasst Oszillatoren mit wichtigen Festfrequenzen zwischen 10 und 50 MHz. Sein Volumen beträgt nur 88 mm3 und er verbraucht lediglich 10 Milliampere (mA) bei 3,3 Volt, woraus sich ein Gesamtstromverbrauch von 33 Milliwatt (mW) ergibt.

Für manche Anwendungen ist es erforderlich, die Frequenz eines Oszillators anzupassen. Diese Anpassung kann auf digitale oder auf analoge Weise erfolgen. Für die analoge Vorgehensweise wird ein spannungsgesteuerter Quarzoszillator (VCXO) verwendet. In Abbildung 5 war zu sehen, wie ein Oszillator durch das Anlegen einer Spannung an eine mit dem Resonator in Reihe geschaltete Varaktordiode und eine Verschiebung seiner Frequenz durch Änderung der Lastkapazität abgestimmt werden kann. Das ist das dem VCXO zugrunde liegende Prinzip.

Der XLH53V010.000000I von Integrated Device Technology Inc. ist ein Beispiel für einen VCXO, der HCMOS-Ausgangspegel und eine Frequenzstabilität von ±50 ppm bietet. Der Ziehbereich eines VCXO gibt den maximalen Frequenz-Offset an, der durch Variation der Steuerspannung erzielt werden kann. Dieser Oszillator hat einen Ziehbereich von ±50 ppm. Für die Nennausgangsfrequenz von 10 MHz beträgt der Ziehbereich ±500 Hz.

Der im Abschnitt zu Resonatoren beschriebene SAW-Oszillator ist ein weiterer kostengünstiger Oszillator mit hoher Zuverlässigkeit. Der XG-1000CA 100.0000M-EBL3 von EPSON ist ein Beispiel für einen SO. Diese Komponenten werden in Festfrequenzanwendungen wie beispielsweise den Sendern von Fernsteuerungen verwendet. Sie bieten gute Stabilitäts- und Jitter-Spezifikationen, wobei der größte Vorteil ihre Zuverlässigkeit ist.

Auswahl des passenden Oszillators für eine Anwendung

Im Allgemeinen erfordern Anwendungen mit Oszillatoren als präzise Taktgeber Komponenten mit einer besseren Frequenzstabilität. Von daher eignen sich OCXO oder MCXO sehr gut für GPS-bezogene Anwendungen. Wenn Erschütterungen und Vibrationen keine Probleme verursachen sollen, ist ein SO die optimale Wahl für die Anwendung. Die Taktung serieller Hochgeschwindigkeitsschnittstellen erfordert einen geringen Timing-Jitter. Kosten spielen bei allen Designs eine Rolle und variieren im Allgemeinen mit dem Grad der gebotenen Frequenzstabilität. Andere Faktoren wie etwa Größen- oder Leistungsanforderungen sind basierend auf der verwendeten Technologie komponentenabhängig. In diesem Fall sind unter Umständen technische Kompromisse erforderlich. Tabelle 1 vergleicht die wichtigen Spezifikationen der in diesem Artikel behandelten Oszillatoren, um sich auf die individuellen Funktionen und Vorteile konzentrieren zu können.

Typ Modell Resonator Frequenz (MHz) Frequenzstabilität (± ppm) Alterung (± ppm) Jitter Leistung (mW) Volumen (mm3)
XO ASV-Serie von Abracon Kristall 10 50 5 2,5 33 64
VCXO XLH-Serie von IDT Kristall 10 50 3 1,3 106 24
SO XG-1000CA-Serie von Epson SAW 100 50 5 3 36 49
DCXO SIT3907AC-23-18NH-Serie von SiTIME MEMS 10 50 5 1 62 6,6
TCXO ASTX-Serie von Abracon Kristall 10 2,5 1 1,6 a 13 4,75
MCXO LFMC-Serie von IQD Kristall 12 0,05 1 1,6 a 61 84
OCXO DOC050F-Serie von Connor-Winfield Kristall 10 0,05 0,3 1 2500/1100 b 1.000

Hinweise:

  1. Aus dem Phasenrauschen berechnete Schätzung
  2. Anlaufen / stationärer Zustand

Tabelle 1: Typische Parameter, anhand derer verschiedene Oszillatoren verglichen werden. Jeder wird basierend auf den Designanforderungen sowie weiteren Faktoren wie Kosten und Verfügbarkeit zum Zeitpunkt des Designs ausgewählt. (Tabellenquelle: Digi-Key Electronics)

Die Oszillatoren in der Tabelle sind nach der Frequenzstabilität angeordnet. Beachten Sie, dass im Artikel bestimmte Ausgangsfrequenzen verwendet wurden. Alle diese Oszillatoren bieten innerhalb der einzelnen Modellserien jedoch verschiedene Ausgangsfrequenzen.

Fazit

Ein gutes Verständnis von Bauweise und Betrieb von Oszillatoren ist für die Entwickler überaus hilfreich bei der Wahl der zu den Anforderungen ihrer Anwendung passenden Komponente. Wie immer erfordert die Wahl des für ein Designprojekt zu verwendenden Oszillators technische Kompromisse in Bezug auf Kosten, Stromverbrauch, Platzbedarf, Stabilität und Genauigkeit. Dank der großen Auswahl verfügbarer Oszillatoren werden diese Kompromisse durch betriebsbereite Lösungen auf ein Minimum reduziert.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

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