Ratgeber
Fast alle digital gesteuerten, elektronischen Geräte benötigen einen präzisen integrierten Taktgeber. Hierzu werden frequenzbestimmende Bauteile, beispielsweise in Form von Quarz-Oszillatoren eingesetzt. Sie finden Verwendung, wenn die Anforderungen an die Frequenzstabilität hoch sind oder eine möglichst einfache beziehungsweise kompakte Schaltungsentwicklung gefragt ist. Was Quarz-Oszillatoren auszeichnet, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ein Quarzoszillator besteht zunächst einmal aus einem Schwingquarz mit einer bestimmten Resonanzfrequenz, die gleichzeitig der Oszillatorfrequenz entspricht. Im Gegensatz zu einem reinen Schwingquarz, der lediglich ein aus dem Quarzkristall geschnittenes Kristallplättchen enthält, beinhaltet ein Quarzoszillator noch die komplette Oszillatorschaltung.
Die bei einem Schwingquarz zusätzlich notwendige Aussenbeschaltung in Form eines Taktgebers samt LC-Schwingkreis ist beim Quarzoszillator bereits komplett im Gehäuse integriert. Nach Anlegen der erforderlichen Betriebsspannung, die – je nach Ausführung – zwischen 2,5 und 5,5 Volt Gleichspannung liegt, gibt der Oszillator an den Ausgangspins ein äusserst stabiles Rechtecksignal aus, das dann als Taktsignal für den gewünschten Frequenzbereich Verwendung findet.
Die Vorteile eines Quarzoszillators gegenüber der Kombination aus Quarz und zusätzlicher Aussenbeschaltung liegen darin, dass sich der Entwickler keine Gedanken in Bezug auf Entwurf und Erprobung der für einen Quarz notwendigen Schaltung machen muss. Potentielle Fehlerquellen wie ein kritisches Anschwingverhalten oder schwer vorherzusehende Alterungsprozesse der verschiedenen Bauteile in der Oszillatorschaltung sind ausgeschlossen. Im Vergleich zu Quarzen punkten Quarzoszillatoren mit einer höheren Zuverlässigkeit und Frequenzstabilität.
Die kompakte Bauweise in einem hermetisch versiegelten Gehäuse, zusammen mit exakt spezifizierten Werten für den gesamten Oszillator, erleichtert die Schaltungsentwicklung deutlich und reduziert die notwendige Gesamtanzahl an Bauteilen.
Quarzoszillatoren gibt es sowohl im Keramik- als auch im Metallgehäuse und für die SMD- oder Durchsteckmontage (THT). Die Baugrösse variiert bei aktuell gängigen Ausführungen meist zwischen 2,5 x 2 mm bis hin zu 20,4 x 12,9 mm (Länge x Breite). Beim Frequenzbereich sind Typen zwischen 32,768 kHz und 50 MHz gebräuchlich. Höhere Frequenzen bis hin zu etwa 200 MHz sind ebenfalls verfügbar.
Man unterscheidet vom technischen Aufbau her zwischen unkompensierten (XO), spannungsgesteuerten (VCXO) und temperaturkompensierten (TCXO) Oszillatoren. Die Unterschiede liegen hier in der Genauigkeit und Temperaturstabilität, wobei diese Werte je nach Erfordernis und Bedarf auszuwählen sind.
Neben der gewünschten Frequenz ist auf die Betriebsspannung des Oszillators zu achten. Je nach Schaltungsumgebung sind 2,5 Volt, 3 Volt, 3,3 Volt oder 5 Volt gebräuchlich. Ähnliches gilt auch für das Ausgangssignal, das entweder TTL-, CMOS- oder HCMOS-kompatibel ist. Ein wichtiges Kriterium ist die Frequenztoleranz, also die maximale Abweichung von der aufgedruckten Frequenz bei + 25 °C. Diese wird, ebenso wie die Werte für Alterung und Temperaturdrift, in ppm angegeben.
Je nach Einsatzzweck sollte auch der zulässigen Betriebstemperatur Beachtung geschenkt werden. Insbesondere beim industriellen Einsatz sowie im Automotive- und Messtechnikbereich können schnell relativ extreme Temperaturen und Temperaturwechsel auftreten.
Die „Reinheit“ des Ausgangssignals kann ebenfalls für manche Anwendungen wichtig sein, hier sollte auf gute Werte bei Phasenrauschen, Jitter und Anstiegs- sowie Abfallzeit geachtet werden. Auch die Symmetrie des Ausgangssignals kann fallweise ein Kriterium darstellen. Manche Oszillatoren bieten – anders als ein Quarz – die Möglichkeit, sich mittels Steuerung über einen zusätzlichen Pin, in einen stromsparenden Standby-Betrieb schalten zu lassen. Das ist sehr vorteilhaft, wenn nur Batteriestrom zur Verfügung steht und deshalb ein stromsparendes Schaltungsdesign angestrebt wird.
Unser Praxistipp: Quarzoszillatoren für geringe Stückzahlen
Auch wenn Quarze aufgrund ihrer niedrigeren Preise auf den ersten Blick attraktiver erscheinen mögen, sind Quarzoszillatoren doch in vielen Applikationen die vorteilhaftere Alternative. Besonders bei geringen und mittleren Stückzahlen rechnet sich der Entwicklungsaufwand beim Einsatzes eines Quarzes meist nicht. Ein kompletter Oszillator bietet zudem eine bessere Frequenztoleranz, die mit einer Kombination aus Quarz und Zusatzbeschaltung nicht so ohne Weiteres erreicht werden kann.
Fazit: So kaufen Sie den richtigen Quarzoszillator
Achten Sie auf die elektrischen Werte sowie die Kompatibilität von Eingangsspannung und Pegel des Ausgangssignals zum restlichen Schaltungsdesign. Bei Ersatzbeschaffungen spielt auch die mechanische Kompatibilität eine Rolle. Hier müssen Form und Masse des Gehäuses und das Pin-Layout berücksichtigt werden. Standby-fähige Typen sind besonders effizient bei mobilen Anwendungen.
Für reine Uhren-Anwendungen empfiehlt sich die Frequenz von 32,768 kHz. Diese Frequenz lässt sich leicht durch eine Teilerschaltung auf den benötigten Takt herunterrechnen. Die geringe Oszillatorfrequenz ist zudem stromsparend, was Vorteile bei mobilen Geräten bietet.
FAQ – häufig gestellte Fragen zu Quarzoszillatoren
Was ist der Unterschied zwischen MEMS-Oszillatoren und Quarzoszillatoren?
Grundsätzlich erfüllen beide Varianten den gleichen Zweck: Sie generieren ein logik-kompatibles Rechtecksignal mit einer bestimmten Frequenz. MEMS-Oszillatoren bieten Vorteile, wenn beispielsweise schnell spezielle Nicht-Standard-Frequenzen benötigt werden. Piezoelektrische Quarzoszillatoren punkten mit einer höheren Temperaturstabilität, weniger Phasenrauschen und geringerem Jitter in jedem Frequenzbereich.
Was bedeutet die Angabe „ppm“, die zum Beispiel bei Frequenzstabilität, Toleranz und Alterungsangaben zu finden ist?
Die Abkürzung „ppm“ steht für parts per million (Anteile pro Million) und wird aufgrund der sehr geringen Abweichungen der elektrischen Werte bei Quarzoszillatoren an Stelle von % (Prozent = ein Hundertstel) verwendet. Als Beispiel: 1% entspricht 10.000 ppm.