Die Zeitmessung ist ein wesentliches Merkmal der meisten elektronischen Geräte, und Zeitmessungskomponenten sind ein Grundbestandteil der meisten elektronischen Schaltungen. Die Zeitmessungsindustrie wird heute hauptsächlich von quarzbasierten Geräten beherrscht, da diese effizient stabile Frequenzen erzeugen, die eine präzise Datenübertragung zu geringen Kosten gewährleisten. Mit dem Aufkommen von Technologien wie 5G und Wi-Fi besteht ein noch grösserer Bedarf, die Erlebnisqualität für die Endnutzer zu verbessern. Daher ist es unerlässlich, das frequenzgebende Bauteil zu wählen, das perfekt zu den modernsten Anwendungen und Hochleistungsanforderungen der Erstausrüster (OEMs) und Entwicklungsingenieure passt.
Die beiden am häufigsten verwendeten Bauteile sind Quarzkristalle und Oszillatoren. Quarze sind passive Bauteile und können nur funktionieren, wenn sie an einen externen Oszillatorschaltkreis angeschlossen sind, der in den meisten Mikroprozessoren vorhanden ist. Ein Oszillator hingegen benötigt keine externe Schaltung, da er Schwingquarz und Oszillator-IC in einem einzigen Gerät vereint. Oszillatoren sind die erste Wahl für die Frequenzsteuerung, da sie als Komplettlösung weniger Designkenntnisse erfordern. Erfahrene Entwicklungsingenieure bevorzugen jedoch Quarzkristalle, da sie über das nötige Fachwissen verfügen, um den besten Quarz auszuwählen, der die Leistung des Oszillators verbessert und somit zu einer optimierten Leistung führt.
Bei der Wahl des richtigen Frequenzgeräts für eine optimale Funktionalität geht es jedoch nicht nur um die Betriebsart, sondern vor allem um die Eigenschaften von Quarzen und Oszillatoren, die im Folgenden erläutert werden.
Was macht einen guten Zeitmesser aus?
Betriebsfrequenz: Jede Anwendung hat einen entsprechenden Betriebsfrequenzbereich, da sichergestellt werden muss, dass es keine Überschneidungen von Signalen gibt. So wird beispielsweise die Frequenz 32,768 kHz für die Zeitmessung von Digitaluhren verwendet, während 26 MHz für das Funktionieren des GPS unerlässlich ist. Die 13-MHz-Frequenz wird in GSM verwendet, und die 13,560-MHz-Frequenz wird üblicherweise für die Funkfrequenzkennzeichnung (RFID) genutzt. Bei der Auswahl von Quarzen und Oszillatoren ist es von entscheidender Bedeutung, ein Frequenzgerät zu wählen, das auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist.
Frequenzstabilität: Jeder Kristall hat eine Eigenfrequenz, bei der er in Resonanz geht, was auf die piezoelektrische Eigenschaft des Kristalls zurückzuführen ist. Die Frequenzstabilität ist die normale Abweichung von dieser Nennfrequenz. Diese Abweichung kann durch verschiedene äussere Faktoren verursacht werden, vor allem durch Temperaturschwankungen, aber auch durch Schwankungen der Versorgungsspannung, des Kapazitätswerts der Last oder sogar durch Überhitzung beim Löten.
Engere Stabilitätskomponenten sind feiner abgestimmt und bieten eine genauere Zeitmessung als Komponenten mit grösseren Stabilitätsbereichen. Innerhalb des IQD-Sortiments stehen viele Optionen zur Auswahl, darunter temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXOs) mit einer Stabilität von nur ±0,05 ppm oder temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXOs) wie der IQOV-164 mit Stabilitäten in der Grössenordnung von ±20 ppb.
Temperatur-Schwellenwert: Die Temperatur ist der einflussreichste externe Faktor, der die Leistung von Zeitmessgeräten beeinflusst. Wenn die Temperatur schwankt, verändert sich auch die Frequenz. Die Bewegung der Frequenz wird mit dem Begriff der Frequenzstabilität bezeichnet. Die Stabilitätsgenauigkeit von Quarz wird durch den Winkel bestimmt, mit dem der Quarzstab bei der Herstellung geschnitten wird. Kleine Änderungen des Schnittwinkels bestimmen die über die Temperatur erzielte Leistung.
Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit einigen der häufigsten Anwendungen und dem entsprechenden Betriebstemperaturbereich.
| Anwendungen | Betriebstemperaturbereich |
| Kommerziell, Automotive Klasse 4 | 0 bis 70 ºC |
| Erweitert kommerziell | -20 bis 70 ºC |
| Industriell, Automotive Klasse 3 | -40 bis 85 ºC |
| Erweitert industriell, Automotive Klasse 2 | -40 bis 105 ºC |
| Automotive Klasse 1 | -40 bis 125 ºC |
| Militär/Automotive Klasse 0 | -55 bis 125 ºC und darüber |
Die beliebten IQXC-180 Auto, CFPX-180 und IQXC-42, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden, haben alle einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis 125 ºC und mehrere andere engere Temperaturbereiche.
Phasenrauschen und Jitter: Unter Phasenrauschen versteht man die zufällige Schwankung der Phase oder Frequenz eines Signals. Dies kann die Genauigkeit und die Auflösung beeinträchtigen und sich negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auswirken. Jitter hingegen führt zu Inkonsistenzen im Zeitbereich des Signals und kann zu Bitfehlerraten (BER) führen. Abhängig von der jeweiligen Anwendung sollten Entwicklungsingenieure ein Zeitmessgerät auswählen, das sowohl ein geringes Phasenrauschen als auch einen geringen Jitter aufweist. Diese Faktoren sind in einigen der wichtigsten Anwendungen wie Navigation, digitale Kommunikation, Audioverarbeitung und Radartechnik von Bedeutung.
Gehäuseabmessungen: Die Gehäusegrösse von Bauteilen ist bei der Entwicklung von Leiterplatten (PCBs) von grosser Bedeutung. Da die Geräte immer kleiner werden, muss auch die Grösse der internen Komponenten berücksichtigt werden. Obwohl Quarze im Vergleich zu ihren Oszillator-Gegenstücken kleiner sind, benötigen sie zusätzliche Kondensatoren und Schaltungen, um einen Zeitimpuls zu erzeugen. Daher können Oszillatoren die bevorzugte Option sein, wenn der Platz bei der Schaltungsentwicklung begrenzt ist, da sie wenig Platz auf der Leiterplatte benötigen, da es sich um ein All-in-One-Paket handelt.
Das IQD-Sortiment umfasst sowohl Quarze als auch Oszillatoren in hermetisch versiegelten SMD-Gehäusen mit Abmessungen von 1,6 x 1,0 mm, 1,6 x 1,2 mm sowie in der industriellen Standardgrösse 2,0 x 1,6 mm.
Ausgangssignaltyp für Oszillatoren: Die Chipsatzhersteller müssen den korrekten Eingang für ihr Timing-Gerät angeben. Der Ausgang eines Oszillators kann einseitig oder differenziell sein. Einseitige Ausgänge werden speziell für Frequenzen unter etwa 100 MHz verwendet, während Differenzialausgänge für hohe Frequenzen eingesetzt werden, um das Gesamtrauschen des Systems zu reduzieren.
Ein weiterer Schwerpunkt sollte die Anpassung des Oszillatorausgangssignals an die richtige Last sein, da sonst Probleme mit der Signalamplitude, den Anstiegs- und Abfallzeiten, dem Tastverhältnis und der Anlaufzeit auftreten können. Nachfolgend sind gängige einseitige Ausgangstypen eines Oszillators aufgeführt:
• CMOS (complementary metal oxide semiconductor)
• HCMOS (high-speed CMOS)
• LVCMOS (low-voltage CMOS)
Differenzialausgänge sind vergleichsweise komplexer zu entwerfen, bieten aber eine bessere Leistung bei Hochfrequenzanwendungen, da jegliches Rauschen, das dem Differenzialsignal gemeinsam ist, ausgelöscht wird. Zu den Differenzsignaltypen gehören:
• PECL (positive emitter-coupled logic)
• LVPECL (low-voltage PECL)
• CML (current-mode logic)
• LVDS (low-voltage differential signalling)
• HCSL (high-speed current-steering logic)
Stromsparender Betrieb für Oszillatoren: Viele Oszillatoren verfügen über einen eingebauten Enable/Disable-Pin als grundlegenden Bestandteil ihrer Funktionalität. Wenn das Gerät deaktiviert wird, stellt der interne Oszillator seinen Betrieb ein und geht in einen Standby-Modus über, der weniger Strom verbraucht. Dies ist besonders vorteilhaft, da viele Elektronikhersteller die Energieeffizienz in den Vordergrund stellen, insbesondere bei kleinen batteriebetriebenen Geräten. Daher sind Oszillatoren, die für eine niedrige Versorgungsspannung optimiert sind, die beste Wahl, wenn es um geringen Stromverbrauch geht.
Kostenaspekt: Ein einzelnes Quarzgehäuse ist kostengünstiger als ein Oszillator. Berücksichtigt man jedoch neben den Bauteilkosten auch den technischen Aufwand, können sich Oszillatoren als wirtschaftliche Option für die Schaltungsentwicklung erweisen. In bestimmten Szenarien kann sich die Entscheidung für Kristalle als noch kostspieliger erweisen, insbesondere wenn Dienstleistungen und Tests ausgelagert werden. Es ist wichtig, die zusätzlichen Kosten nicht zu übersehen, die durch zusätzliche Komponenten wie Lastkondensatoren und Widerstände sowie durch Prozesse wie die Wiederbelebung von Leiterplatten zur Verbesserung der Signalleistung entstehen.
Darüber hinaus eignen sich Quarze besser für Situationen, in denen Hersteller ihre eigenen elektronischen Oszillatoren entwickeln wollen, da sie die Flexibilität haben, alle relevanten Parameter für ihre spezifischen Projekte zu optimieren. Umgekehrt haben Oszillatoren den Vorteil, dass sie die Stückliste und den Platz auf der Leiterplatte reduzieren. So können Entscheidungen, die durch die Kosten beeinflusst werden, auf der Qualität der Anwendungen und dem Umfang der Produktion beruhen.
FAQs
Die Resonanzfunktion eines Quarzkristalls wird durch Schneiden in einer geeigneten Ausrichtung in Bezug auf die kristallografische Achse des Quarzbarrens erreicht. Diese Achse hilft bei der Festlegung der Koordinaten des Kristallgitters. Dieser wird traditionell als Kristallrohling bezeichnet, der dann zwischen zwei Elektroden gelegt wird, um eine Wechselspannung durch ihn zu leiten. Aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls führt die angelegte Spannung zu einer mechanischen Verschiebung des Kristalls, wodurch dieser in Schwingung versetzt wird.
Wenn die Frequenz der angelegten Spannung mit der mechanischen Resonanz des Kristalls übereinstimmt, wird die Amplitude der Schwingung gross. Dies führt auch zu einem Anstieg des Begleitstroms, wodurch die effektive Impedanz des Geräts sinkt. Gleichzeitig nimmt auch der Verschiebungsstrom zu, was zu einer weiteren Verringerung der effektiven Impedanz beiträgt. Die plötzliche Änderung der Impedanz, wenn die Spannung und die Resonanzfrequenz variieren, ist der Schlüsselfaktor für die Anwendung von Quarzkristallen als Frequenzsteuerungselement in Kristalloszillatoren.
Umgekehrt funktionieren Oszillatoren nach einem anderen Mechanismus als Kristalle und nutzen einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Das angelegte elektrische Feld führt bei einigen Materialien zu einer mechanischen Verformung, so dass die Resonanz des schwingenden Kristalls zur Erzeugung eines elektrischen Signals mit einer bestimmten Frequenz genutzt werden kann. Der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Zeitgebern besteht darin, dass Quarze von Natur aus nicht so vielseitig sind wie Oszillatoren; ein Quarz ist ein Bauteil, das für die Konstruktion eines Oszillators verwendet wird.
Die Anlaufzeit ist die Zeitspanne, die ein Oszillator benötigt, um seine Resonanzfrequenz zu erreichen, sobald er zum ersten Mal mit Strom versorgt wird. Normalerweise sollte die Anlaufzeit für Oszillatoren nur wenige Millisekunden (ms) betragen.
Die Anlaufzeit ist ein häufigeres Problem bei Quarzen mit niedrigen Frequenzen als bei Quarzen mit hohen Frequenzen. Auch die Anlaufzeiten werden in erster Linie von der Anstiegszeit der Stromversorgung beeinflusst. Eine schnellere Anstiegszeit führt zu einer schnelleren Anlaufzeit im Vergleich zu einem Kristall mit einer langsameren Anstiegszeit. Die Anlaufzeit kann auch zu einer unzureichenden Schleifenverstärkung führen.
Möchten Sie mehr über Quarze und Oszillatoren erfahren? Dann hören Sie sich die zweite Folge des KnowHow-Podcasts an, in der wir uns mit Nick Amey, dem technischen Leiter von IQD, unterhalten. Oder lesen Sie alternativ das Interview.
Dieser Beitrag wurde vom Anwendungssupport-Team von IQD Frequency Products geschrieben.
