Ratgeber
Sie bringen buchstäblich billionenfach elektronische Geräte in Schwung: Quarzoszillatoren. Überall da, wo ein stabiler Taktgeber für analoge und digitale Schaltungen notwendig ist, sind mit großer Wahrscheinlichkeit Oszillatoren auf Quarz-Basis zu finden. Nicht nur in Computern und Smartphones, sondern auch in modernen Quarz-Armbanduhren oder Geräten der Unterhaltungselektronik. Hier erfahren Sie, wie Quarzoszillatoren aufgebaut sind, wie sie funktionieren und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Quarzoszillatoren sind vom Prinzip her Schwingkreise: Sie erzeugen ein periodisches Signal, das sich nutzen lässt. Im einfachsten Fall besteht ein Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator. Experten nennen solche oszillierenden Anordnungen LC-Schwingkreise.
Die Frequenzstabilität ist allerdings sehr gering, da Temperaturen, Lasten und Spannungsschwankungen das Signal stark beeinflussen. Als zuverlässige Taktgeber sind diese Schaltungen in der Regel daher nicht zu gebrauchen. Erheblich besser arbeiten Oszillatoren mit einem Quarzkristall als taktgebendes Element. Genutzt wird hier der sogenannte piezoelektrische Effekt des Kristalls.
Wenn eine Spannungsquelle an ein kleines, dünnes Stück Quarzkristall angelegt wird, ändert es seine Form. Dabei entsteht eine mechanische Kraft. Umgekehrt erzeugt eine auf den Kristall ausgeübte mechanische Kraft eine elektrische Ladung.
Piezoelektrische Geräte lassen sich somit als Wandler einstufen, da sie Energie einer Art in Energie einer anderen Art umwandeln – elektrische in mechanische Energie oder mechanische in elektrische Energie. Letzteres ist bekannt aus Funken erzeugenden Feuerzeugen oder Gasanzündern. Mit dem piezoelektrischen Effekt lassen sich aber auch mechanische Schwingungen oder Oszillationen generieren, die als Ersatz für die Standard-LC-Schwingkreise verwendet werden können.
Der in einem Quarzoszillator verwendete Kristall ist ein sehr kleines Plättchen aus geschnittenem Quarz, bei dem die beiden parallelen Flächen metallisiert sind, um die erforderlichen elektrischen Verbindungen herzustellen. Die physische Größe und Dicke eines Quarzkristalls wird streng kontrolliert, da sie die End- oder Grundfrequenz der Schwingungen beeinflusst. Die Grundfrequenz wird im Allgemeinen als Eigenfrequenz des Kristalls bezeichnet.
Sobald der Kristall geschnitten und geformt ist, lässt er sich bei keiner anderen Frequenz mehr verwenden. Mit anderen Worten: Seine Größe und Form bestimmen seine Grundschwingungsfrequenz. Die weitaus meisten Quarzoszillatoren finden sich im Frequenzbereich von 32,768 Kilohertz bis 50 Megahertz, es gibt allerdings auch Quarze, die eine Nennfrequenz von bis zu 200 Megahertz erreichen.
Um einen Quarz in periodische Schwingungen zu versetzen, muss er natürlich Teil eines Schwingkreises sein. Dieser Kreis hält die Schwingung aufrecht, indem er ein Spannungssignal vom Quarz abnimmt, es verstärkt und an ihn zurückgibt. Das Ergebnis ist ein sehr stabiles Rechtecksignal, das sich als Taktgeber verwenden lässt. Die dazu erforderlichen Komponenten entsprechen weitgehend denen einer LC-Schaltung und sind – zusammen mit weiteren elektronischen Bauteilen – in modernen Oszillatoren in einem kleinen Metallgehäuse untergebracht. Es gibt sie für die Durchstecktechnik THT sowie für die Oberflächenmontage SMT. Jeweils zwei Anschlussdrähte beziehungsweise Lötpunkte dienen als Ein- und Ausgangskontakte.
Wichtigstes Kriterium ist selbstverständlich die Frequenz des Oszillators, die sich allerdings durch einen entsprechenden Schaltungsaufbau beziehungsweise bestimmte elektronische Bauteile als Basis für höhere oder niedrigere Frequenzen nutzen lässt. Je nach Schaltungsumgebung sind Betriebsspannungen von 2,5 Volt, 3 Volt, 3,3 Volt oder 5 Volt üblich. Als Ausgangssignal stehen in der Regel TTL-, CMOS- oder HCMOS-kompatible Signale zur Verfügung.
Zu beachten ist außerdem die Frequenztoleranz, das heißt, die maximale Abweichung von der aufgedruckten Frequenz bei 25 Grad Celsius. Genutzt wird hier das Maß ppm, also Teile einer Million, statt Prozent, das bekanntlich Teile von Hundert bezeichnet. Zur Umrechnung in Prozent wird ppm einfach durch 10.000 dividiert. So entspricht die gängige Toleranz von 50 ppm genau 0,005 Prozent. Mit ppm werden auch die Werte für Alterung und Temperaturdrift angegeben.
Vom technischen Aufbau her ist zudem zwischen unkompensierten (XO), spannungsgesteuerten (VCXO) und temperaturkompensierten (TCXO) Quarzen zu unterscheiden. Diese Angaben bezeichnen die Genauigkeit und Temperaturstabilität, die einerseits vom Anwendungszweck, andererseits von Betriebsbedingungen wie den äußeren Temperaturen abhängig ist.
Weitere Kriterien betreffen die Qualität des Ausgangssignals. Dazu gehören das Phasenrauschen, der Jitter sowie die Anstiegs- und Abfallzeiten.
FAQ – häufig gestellte Fragen zu Quarzoszillatoren
Worauf ist beim Löten von SMD-Quarzen zu achten?
Handlöten kann bei einer Temperatur von maximal 350 Grad Celsius für höchstens 3 Sekunden erfolgen. Das Löten der metallischen Quarz-Gehäuseoberfläche – zum Beispiel zur mechanischen Fixierung – ist nicht zulässig. Übermäßige Kraft beim Schneiden oder Biegen von Leitungen ist zu vermeiden. Andernfalls könnten die Isolierung oder die Dichtung reißen und ein Leck verursachen. Wenn Quarzoszillator-Leitungen für die SMD-Montage zu biegen sind, nicht direkt am Oszillatorgehäuse ansetzen. Wir empfehlen die Verwendung einer kleinen Flachzange, um einen sicheren Abstand zwischen dem Bauteilkörper und der Biegestelle einzuhalten.
Was bedeutet der Parameter Ausgangslast?
An den Ausgang des Oszillators lässt sich eine beliebige kapazitive Last unterhalb der angegebenen Ausgangslast des Oszillators anschließen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Leiterbahn vom Oszillatorausgang zur nächsten Last – beispielsweise einem IC – kurz ausfallen, um zusätzliche Streukapazitäten und eine Verzerrung der Ausgangswellenform zu vermeiden.
Welche Gehäusegrößen dominieren?
Die meisten Quarzoszillatoren sind in einem Gehäuse des Typs DIP-14 untergebracht. Es ist 13,1 Millimeter breit, 5,3 Millimeter hoch und 20,7 Millimeter lang. Häufig anzutreffen sind aber auch Quarze in quadratischen DIP-8-Gehäusen mit einer Kantenlänge von 13,21 Millimeter bei einer Höhe von 5,08 Millimeter. SMD-Oszillatoren sind allgemein deutlich kleiner, beispielsweise mit einer Breite von 2,5 Millimeter, einer Höhe von 0,95 Millimeter und einer Länge von 3,2 Millimeter.