石英振荡器是一种产生高频交流电压的电路。作为频率决定元件,振荡器包含一个振动石英。石英振荡器以其频率精度和频率稳定性令人信服。在实践中,电路被广泛用作无线电设备、处理器和微控制器的时钟。因此,石英和石英振荡器被认为是数据传输和电信中频率控制的最重要组成部分也就不足为奇了。其主要优点包括高谐振性能、各种OSC振荡器和高频率稳定性。
例如,测量设备、卫星导航设备或电信设备等专业应用对嵌入式振荡器有很高的要求,例如频率稳定性好、相位噪声低、使用寿命长。为了实现这一目标,所使用的石英也必须具有改进的老化特性,以获得相应的整体性能。石英振荡器通常可分为以下几类:固定频率振荡器(XO)、电压控制振荡器(VCXO)、温度补偿振荡器(TCXO)或温度控制的“Oven Controlled Xtal Oscillators”OCXO。
石英晶体振荡器的最简单形式是X-tal振荡器(XO)。一般来说,它由一个电动模板组成,充当倒置放大器。在反馈网络中,振动方块作为频率确定元件集成。当循环增益大于1时,振荡器从噪声中开始振荡到频率,在此频率中,整个循环的相位移取2π的倍数。
通过插入与振动方块成串的负载电容,可以改变谐振条件,从而在小范围内改变谐振频率。它可以平衡石英频率的制造偏差,并将振荡器与所需的额定频率相匹配。振动石英不仅可以在其基本振动模式下运行,而且可以在更高的上声模式下运行。在物理学上,这里只有奇数顶音(3, 5, 7, 等等)。(注意:石英振荡器的顶音命名是历史性的,与经典的振动顶音计数不一致。石英振荡器在3。Oberton实际上在第三谐波中振动,这在物理上对应于第二谐波),振动夸克和所有电子元件都会根据环境温度或多或少地改变其电气特性。简单的 XOs 直接暴露在环境温度下,因此输出频率在 -40 °C – +85 °C 温度范围内具有高达 100ppm的明显温度依赖性。
负载容量用于无控制的有源晶振(XO),以便在生产过程中将振荡器与固定容量相匹配以达到额定频率。然而,由于老化效应,系统的固有频率会随着时间的推移而改变。为了能够稍后改变振荡器的频率,可以将所谓的容量二极管与振动夸克串联起来,而不是固定容量。该二极管具有可变的电容,这取决于施加在其上的电压,即所谓的拉伸电压。振荡器(VCXO,Voltage-controled X-tal oscillator)是电压控制的振荡器。通常,容量二极管的设计方式是,通过改变负载容量,可以抵消温度差和老化引起的所有频率偏差。
温度补偿石英振荡器(TCXO)
可以利用 VCXO 的拉伸能力来制造振荡器,通过内部补偿网络来抵消温度影响,从而显著降低温度通量。为此,电容二极管上的电压会发生变化,以便电容的变化可以抵消与温度相关的频率变化。
无补偿的温度通量可以用3度多项式近似地描述。由此产生补偿电压,该补偿电压由模拟补偿网或相应的集成电路生成,并且也由多项式描述。在现代IC中,多项式达到6级是常见的。对于一个好的TCXO,补偿的温度通量只有几ppm的偏差。温度补偿和电压控制的石英振荡器的组合也是可能的。这些组合以VCTCXO的形式提供。
使用温度稳定的石英振荡器(OCXO,Oven-controlled X-tal oscillator)可以实现最佳的频率精度。在这里,振动石英,以及电振荡器电路的主要部件,保持在恒定温度的加热控制。这消除了环境温度对频率稳定性的影响。有源晶体振荡器的加热被设计成石英被加热到其上反转点的温度,并保持在该温度(通常约。80-100°C),在上反转点,石英的温度依赖性最小,因此温度的微小变化对频率的影响很小。OCXO的稳定性在很大程度上取决于加热装置的质量,该装置必须对外部温度的变化迅速而无过度反应。
额定频率:设计振荡器的平均工作频率
加热时间:启动后的时间,在此期间,振荡器出现与正常工作频率的明确偏差
Ein Quarzoszillator ist eine Schaltung zur Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Wechselspannungen. Als frequenzbestimmendes Bauelement enth?lt der Oszillator einen Schwingquarz. Quarzoszillatoren überzeugen mit ihrer Frequenzgenauigkeit und Frequenzstabilit?t. In der Praxis finden die Schaltungen sehr h?ufig als Taktgeber für Funkger?te, Prozessoren und Mikrocontroller Verwendung. Es verwundert daher nicht, dass Quarze und Quarzoszillatoren als die wohl wichtigsten Komponenten der Frequenzsteuerung in der Datenübertragung und Telekommunikation gelten. Ihre wesentlichen Vorteile liegen unter anderem in der hohen Resonanzgüte, der gro?en Auswahl an Oszillatoren und der hohen Frequenzstabilit?t begründet.
Professionelle Anwendungen, wie Messger?te, Ger?te zur Satellitennavigation oder Telekommunikationsger?te beispielsweise haben sehr hohe Anforderungen an die verbauten Oszillatoren wie beispielsweise eine gute Frequenzstabilit?t, geringes Phasenrauschen und eine lange Lebensdauer. Um dies zu erreichen, muss auch der verwendete Quarz über verbesserte Alterungseigenschaften verfügen, um so eine entsprechende Gesamtleistung erzielen zu k?nnen. Quarzoszillatoren k?nnen allgemein in folgende Gruppen aufgeteilt werden: Oszillatoren mit fester Frequenz (XO) spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCXO), temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXO) oder temperatur-geregelte „Oven Controlled Xtal Oscillators“ OCXOs.
Die einfachste Form eines Quarzoszillators ist der X-tal Oszillator (XO). Im Allgemeinen besteht er aus einer elektrischen Schalung, welche als rückgekoppelter Verst?rker wirkt. Im Rückkopplungsnetzwerk ist der Schwingquarz als Frequenzbestimmendes Bauteil integriert. Ist die Schleifenverst?rkung gr??er 1, beginnt der Oszillator aus dem Rauschen heraus auf der Frequenz zu schwingen, bei der die Phasenverschiebung der gesamten Schleife einen Vielfachen Wert von 2π annimmt.
Durch einfügen einer Lastkapazit?t, die sich in Reihe zum Schwingquarz befindet, kann die Resonanzbedingung ge?ndert werden und somit die Resonanzfrequenz in einem geringen Bereich ver?ndert werden. Hiermit k?nnen Fertigungsbedingte Abweichungen in der Quarzfrequenz ausgeglichen werden und er Oszillator auf die ben?tigte Nennfrequenz abgeglichen werden. Der Schwingquarz kann nicht nur in seiner Grundschwingungsmode betrieben werden, sondern auch in h?heren Obertonmoden. Physikalisch sind hierbei nur die ungeraden Obert?ne (3, 5, 7, usw.) m?glich. (Hinweis: Die Benennung der Obert?ne bei Quarzoszillatoren ist historisch bedingt und stimmt nicht mit der klassischen Z?hlung der Obert?ne einer Schwingung überein. Ein Quarzoszillator im 3. Oberton schwingt eigentlich in der 3. Harmonischen, was physikalisch dem 2. Oberton entspricht). Sowohl der Schwingquarz, als auch alle elektronischen Bauteile ?ndern mehr oder weniger ihre elektrischen Eigenschaften abh?ngig von der Umgebungstemperatur. Einfache XOs sind direkt der Umgebungstemperatur ausgesetzt, weshalb die Ausgangsfrequenz eine deutliche Temperaturabh?ngigkeit im Bereich von bis zu 100 ppm über den Temperaturbereich -40 °C – +85 °C.
Die Lastkapazit?t wird beim ungesteuerten Quarzoszillator (XO) dafür verwendet, um bei der Produktion den Oszillator mit einer fest eingebauten Kapazit?t auf die Nennfrequenz abzugleichen. Durch Alterungseffekte kann sich allerdings die Eigenfrequenz des Systems mit der zeit ver?ndern. Um die Frequenz des Oszillators nachtr?glich in geringem Ma?e ver?ndern zu k?nnen, kann anstatt einer festen Kapazit?t eine sogenannte Kapazit?tsdiode in Reihe mit dem Schwingquarz verbaut werden. Diese Diode hat eine ver?nderbare Kapazit?t abh?ngig von der an ihr angelegten Spannung, der sogenannten Ziehspannung. Ein ziehf?higer, also ein in seiner Frequenz ver?nderbarer Oszillator wird VCXO (Voltage controlled X-tal oscillator) genannt. Typischerweise wird die Kapazit?tsdiode so ausgelegt, dass durch die ?nderung der Lastkapazit?t alle Frequenzabweichungen durch Temperaturunterschiede und Alterung ausgeglichen werden k?nnen.
Die Ziehf?higkeit eines VCXO kann ausgenutzt werden, um Oszillatoren herzustellen, welche durch ein internes Kompensationsnetzwerk die Temperatureinflüsse ausgleichen und somit einen deutliche geringeren Temperaturgang aufweisen. Hierzu wird die Spannung an der Kapazit?tsdiode so ver?ndert, dass die Kapazit?ts?nderung der temperaturbedingten Frequenz?nderung entgegenwirkt.
Die besten Frequenzgenauigkeiten k?nnen mit Temperaturstabilisierten Quarzoszillatoren (OCXO, Oven controlled X-tal oscillator) erreicht werden. Hierbei wird der Schwingquarz, sowie die Hauptkomponenten der elektrischen Oszillatorschaltung druch eine Heizungsregelung auf konstanter Temperatur gehalten. Hierdurch entf?llt der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Frequenzstabilit?t. Die Heizung des Oszillators ist so ausgelegt, dass der Quarz auf die Temperatur seines oberen Umkehrpunktes geheizt und bei dieser Temperatur gehalten wird (in der Regel ca. 80-100°C). Am oberen Umkehrpunkt ist die Temperaturabh?ngigkeit des Quarzes am geringsten, wodurch kleine Temperaturschwankungen nur einen geringen Einfluss auf die Frequenz haben. Die Stabilit?t eines OCXO h?ngt stark von der Qualit?t der Heizungsregelung ab, die schnell und ohne überschwingen auf ?nderungen der Au?entemperatur reagieren muss.
Nennfrequenz: Mittlere Betriebsfrequenz, für die der Oszillator entwickelt wurde
Aufheizzeit: Zeitdauer nach dem Einschalten, nach der der Oszillator eine definierte Abweichung der regul?ren Betriebsfrequenz aufweist
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