{"id":63096,"date":"2023-11-21T16:26:35","date_gmt":"2023-11-21T16:26:35","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/unkategorisiert\/ein-leitfaden-fuer-quarze-und-oszillatoren-von-iqd\/"},"modified":"2023-11-23T09:09:26","modified_gmt":"2023-11-23T09:09:26","slug":"ein-leitfaden-fuer-quarze-und-oszillatoren-von-iqd","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/elektronik\/ein-leitfaden-fuer-quarze-und-oszillatoren-von-iqd\/","title":{"rendered":"Ein Leitfaden f\u00fcr Quarze und Oszillatoren von IQD"},"content":{"rendered":"\n

Die Zeitmessung ist ein wesentliches Merkmal der meisten elektronischen Ger\u00e4te, und Zeitmessungskomponenten sind ein Grundbestandteil der meisten elektronischen Schaltungen. Die Zeitmessungsindustrie wird heute haupts\u00e4chlich von quarzbasierten Ger\u00e4ten beherrscht, da diese effizient stabile Frequenzen erzeugen, die eine pr\u00e4zise Daten\u00fcbertragung zu geringen Kosten gew\u00e4hrleisten. Mit dem Aufkommen von Technologien wie 5G und Wi-Fi besteht ein noch gr\u00f6sserer Bedarf, die Erlebnisqualit\u00e4t f\u00fcr die Endnutzer zu verbessern. Daher ist es unerl\u00e4sslich, das frequenzgebende Bauteil zu w\u00e4hlen, das perfekt zu den modernsten Anwendungen und Hochleistungsanforderungen der Erstausr\u00fcster (OEMs) und Entwicklungsingenieure passt.<\/p>\n\n\n\n

Die beiden am h\u00e4ufigsten verwendeten Bauteile sind Quarzkristalle und Oszillatoren. Quarze sind passive Bauteile und k\u00f6nnen nur funktionieren, wenn sie an einen externen Oszillatorschaltkreis angeschlossen sind, der in den meisten Mikroprozessoren vorhanden ist. Ein Oszillator hingegen ben\u00f6tigt keine externe Schaltung, da er Schwingquarz und Oszillator-IC in einem einzigen Ger\u00e4t vereint. Oszillatoren sind die erste Wahl f\u00fcr die Frequenzsteuerung, da sie als Komplettl\u00f6sung weniger Designkenntnisse erfordern. Erfahrene Entwicklungsingenieure bevorzugen jedoch Quarzkristalle, da sie \u00fcber das n\u00f6tige Fachwissen verf\u00fcgen, um den besten Quarz auszuw\u00e4hlen, der die Leistung des Oszillators verbessert und somit zu einer optimierten Leistung f\u00fchrt.   <\/p>\n\n\n\n

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Bei der Wahl des richtigen Frequenzger\u00e4ts f\u00fcr eine optimale Funktionalit\u00e4t geht es jedoch nicht nur um die Betriebsart, sondern vor allem um die Eigenschaften von Quarzen und Oszillatoren, die im Folgenden erl\u00e4utert werden.<\/p>\n\n\n\n

Was macht einen guten Zeitmesser aus?<\/h2>\n\n\n\n

Betriebsfrequenz: <\/strong>Jede Anwendung hat einen entsprechenden Betriebsfrequenzbereich, da sichergestellt werden muss, dass es keine \u00dcberschneidungen von Signalen gibt. So wird beispielsweise die Frequenz 32,768 kHz f\u00fcr die Zeitmessung von Digitaluhren verwendet, w\u00e4hrend 26 MHz f\u00fcr das Funktionieren des GPS unerl\u00e4sslich ist. Die 13-MHz-Frequenz wird in GSM verwendet, und die 13,560-MHz-Frequenz wird \u00fcblicherweise f\u00fcr die Funkfrequenzkennzeichnung (RFID) genutzt. Bei der Auswahl von Quarzen und Oszillatoren ist es von entscheidender Bedeutung, ein Frequenzger\u00e4t zu w\u00e4hlen, das auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist.<\/p>\n\n\n\n

Frequenzstabilit\u00e4t:<\/strong> Jeder Kristall hat eine Eigenfrequenz, bei der er in Resonanz geht, was auf die piezoelektrische Eigenschaft des Kristalls zur\u00fcckzuf\u00fchren ist. Die Frequenzstabilit\u00e4t ist die normale Abweichung von dieser Nennfrequenz. Diese Abweichung kann durch verschiedene \u00e4ussere Faktoren verursacht werden, vor allem durch Temperaturschwankungen, aber auch durch Schwankungen der Versorgungsspannung, des Kapazit\u00e4tswerts der Last oder sogar durch \u00dcberhitzung beim L\u00f6ten.<\/p>\n\n\n\n

Engere Stabilit\u00e4tskomponenten sind feiner abgestimmt und bieten eine genauere Zeitmessung als Komponenten mit gr\u00f6sseren Stabilit\u00e4tsbereichen. Innerhalb des IQD-Sortiments stehen viele Optionen zur Auswahl, darunter temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXOs) mit einer Stabilit\u00e4t von nur \u00b10,05 ppm oder temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXOs) wie der IQOV-164 mit Stabilit\u00e4ten in der Gr\u00f6ssenordnung von \u00b120 ppb.<\/p>\n\n\n\n

Temperatur-Schwellenwert: <\/strong>Die Temperatur ist der einflussreichste externe Faktor, der die Leistung von Zeitmessger\u00e4ten beeinflusst. Wenn die Temperatur schwankt, ver\u00e4ndert sich auch die Frequenz. Die Bewegung der Frequenz wird mit dem Begriff der Frequenzstabilit\u00e4t bezeichnet. Die Stabilit\u00e4tsgenauigkeit von Quarz wird durch den Winkel bestimmt, mit dem der Quarzstab bei der Herstellung geschnitten wird. Kleine \u00c4nderungen des Schnittwinkels bestimmen die \u00fcber die Temperatur erzielte Leistung.<\/p>\n\n\n\n

Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit einigen der h\u00e4ufigsten Anwendungen und dem entsprechenden Betriebstemperaturbereich. <\/p>\n\n\n\n

Anwendungen<\/strong><\/td>Betriebstemperaturbereich<\/strong><\/td><\/tr>
Kommerziell, Automotive Klasse 4<\/td>0 bis 70 \u00baC<\/td><\/tr>
Erweitert kommerziell<\/td>-20 bis 70 \u00baC<\/td><\/tr>
Industriell, Automotive Klasse 3<\/td>-40 bis 85 \u00baC<\/td><\/tr>
Erweitert industriell, Automotive Klasse 2<\/td>-40 bis 105 \u00baC<\/td><\/tr>
Automotive Klasse 1<\/td>-40 bis 125 \u00baC<\/td><\/tr>
Milit\u00e4r\/Automotive Klasse 0<\/td>-55 bis 125 \u00baC und dar\u00fcber<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

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 \u00baC und mehrere andere engere Temperaturbereiche. <\/p>\n\n\n\n

Phasenrauschen und Jitter: <\/strong>Unter Phasenrauschen versteht man die zuf\u00e4llige Schwankung der Phase oder Frequenz eines Signals. Dies kann die Genauigkeit und die Aufl\u00f6sung beeintr\u00e4chtigen und sich negativ auf das Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis (SNR) auswirken. Jitter hingegen f\u00fchrt zu Inkonsistenzen im Zeitbereich des Signals und kann zu Bitfehlerraten (BER) f\u00fchren. Abh\u00e4ngig von der jeweiligen Anwendung sollten Entwicklungsingenieure ein Zeitmessger\u00e4t ausw\u00e4hlen, 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.<\/p>\n\n\n\n

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Geh\u00e4useabmessungen: <\/strong>Die Geh\u00e4usegr\u00f6sse von Bauteilen ist bei der Entwicklung von Leiterplatten (PCBs) von grosser Bedeutung. Da die Ger\u00e4te immer kleiner werden, muss auch die Gr\u00f6sse der internen Komponenten ber\u00fccksichtigt werden. Obwohl Quarze im Vergleich zu ihren Oszillator-Gegenst\u00fccken kleiner sind, ben\u00f6tigen sie zus\u00e4tzliche Kondensatoren und Schaltungen, um einen Zeitimpuls zu erzeugen. Daher k\u00f6nnen Oszillatoren die bevorzugte Option sein, wenn der Platz bei der Schaltungsentwicklung begrenzt ist, da sie wenig Platz auf der Leiterplatte ben\u00f6tigen, da es sich um ein All-in-One-Paket handelt.<\/p>\n\n\n\n

Das IQD-Sortiment umfasst sowohl Quarze als auch Oszillatoren in hermetisch versiegelten SMD-Geh\u00e4usen mit Abmessungen von 1,6 x 1,0 mm, 1,6 x 1,2 mm sowie in der industriellen Standardgr\u00f6sse 2,0 x 1,6 mm.<\/p>\n\n\n

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Ausgangssignaltyp f\u00fcr Oszillatoren: <\/strong>Die Chipsatzhersteller m\u00fcssen den korrekten Eingang f\u00fcr ihr Timing-Ger\u00e4t angeben. Der Ausgang eines Oszillators kann einseitig oder differenziell sein. Einseitige Ausg\u00e4nge werden speziell f\u00fcr Frequenzen unter etwa 100 MHz verwendet, w\u00e4hrend Differenzialausg\u00e4nge f\u00fcr hohe Frequenzen eingesetzt werden, um das Gesamtrauschen des Systems zu reduzieren.<\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer Schwerpunkt sollte die Anpassung des Oszillatorausgangssignals an die richtige Last sein, da sonst Probleme mit der Signalamplitude, den Anstiegs- und Abfallzeiten, dem Tastverh\u00e4ltnis und der Anlaufzeit auftreten k\u00f6nnen. Nachfolgend sind g\u00e4ngige einseitige Ausgangstypen eines Oszillators aufgef\u00fchrt:<\/p>\n\n\n\n

\u2022 CMOS (complementary metal oxide semiconductor)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 HCMOS (high-speed CMOS)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVCMOS (low-voltage CMOS)<\/p>\n\n\n\n

Differenzialausg\u00e4nge sind vergleichsweise komplexer zu entwerfen, bieten aber eine bessere Leistung bei Hochfrequenzanwendungen, da jegliches Rauschen, das dem Differenzialsignal gemeinsam ist, ausgel\u00f6scht wird. Zu den Differenzsignaltypen geh\u00f6ren:<\/p>\n\n\n\n

\u2022 PECL (positive emitter-coupled logic)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVPECL (low-voltage PECL)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 CML (current-mode logic)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 LVDS (low-voltage differential signalling)<\/p>\n\n\n\n

\u2022 HCSL (high-speed current-steering logic)<\/p>\n\n\n\n

Stromsparender Betrieb f\u00fcr Oszillatoren: <\/strong>Viele Oszillatoren verf\u00fcgen \u00fcber einen eingebauten Enable\/Disable-Pin als grundlegenden Bestandteil ihrer Funktionalit\u00e4t. Wenn das Ger\u00e4t deaktiviert wird, stellt der interne Oszillator seinen Betrieb ein und geht in einen Standby-Modus \u00fcber, der weniger Strom verbraucht. Dies ist besonders vorteilhaft, da viele Elektronikhersteller die Energieeffizienz in den Vordergrund stellen, insbesondere bei kleinen batteriebetriebenen Ger\u00e4ten. Daher sind Oszillatoren, die f\u00fcr eine niedrige Versorgungsspannung optimiert sind, die beste Wahl, wenn es um geringen Stromverbrauch geht. <\/p>\n\n\n\n

Kostenaspekt: <\/strong>Ein einzelnes Quarzgeh\u00e4use ist kosteng\u00fcnstiger <\/strong> als ein Oszillator. Ber\u00fccksichtigt man jedoch neben den Bauteilkosten auch den technischen Aufwand, k\u00f6nnen sich Oszillatoren als wirtschaftliche Option f\u00fcr die Schaltungsentwicklung erweisen. In bestimmten Szenarien kann sich die Entscheidung f\u00fcr Kristalle als noch kostspieliger erweisen, insbesondere wenn Dienstleistungen und Tests ausgelagert werden. Es ist wichtig, die zus\u00e4tzlichen Kosten nicht zu \u00fcbersehen, die durch zus\u00e4tzliche Komponenten wie Lastkondensatoren und Widerst\u00e4nde sowie durch Prozesse wie die Wiederbelebung von Leiterplatten zur Verbesserung der Signalleistung entstehen.<\/p>\n\n\n\n

Dar\u00fcber hinaus eignen sich Quarze besser f\u00fcr Situationen, in denen Hersteller ihre eigenen elektronischen Oszillatoren entwickeln wollen, da sie die Flexibilit\u00e4t haben, alle relevanten Parameter f\u00fcr ihre spezifischen Projekte zu optimieren. Umgekehrt haben Oszillatoren den Vorteil, dass sie die St\u00fcckliste und den Platz auf der Leiterplatte reduzieren. So k\u00f6nnen Entscheidungen, die durch die Kosten beeinflusst werden, auf der Qualit\u00e4t der Anwendungen und dem Umfang der Produktion beruhen.<\/p>\n\n\n\n

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Zum Sortiment<\/a><\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

FAQs<\/h2>\n\n\n
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Worin besteht der Unterschied im Funktionsprinzip von XTALs und XOs?<\/strong><\/strong>\n

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 f\u00fchrt 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 \u00fcbereinstimmt, wird die Amplitude der Schwingung gross. Dies f\u00fchrt auch zu einem Anstieg des Begleitstroms, wodurch die effektive Impedanz des Ger\u00e4ts sinkt. Gleichzeitig nimmt auch der Verschiebungsstrom zu, was zu einer weiteren Verringerung der effektiven Impedanz beitr\u00e4gt. Die pl\u00f6tzliche \u00c4nderung der Impedanz, wenn die Spannung und die Resonanzfrequenz variieren, ist der Schl\u00fcsselfaktor f\u00fcr 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 f\u00fchrt 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 f\u00fcr die Konstruktion eines Oszillators verwendet wird.<\/p>\n<\/div>\n

Wie lange sollte die Anlaufzeit f\u00fcr Oszillatoren sein?<\/strong><\/strong>\n

Die Anlaufzeit ist die Zeitspanne, die ein Oszillator ben\u00f6tigt, um seine Resonanzfrequenz zu erreichen, sobald er zum ersten Mal mit Strom versorgt wird. Normalerweise sollte die Anlaufzeit f\u00fcr Oszillatoren nur wenige Millisekunden (ms) betragen.

Die Anlaufzeit ist ein h\u00e4ufigeres 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 f\u00fchrt zu einer schnelleren Anlaufzeit im Vergleich zu einem Kristall mit einer langsameren Anstiegszeit. Die Anlaufzeit kann auch zu einer unzureichenden Schleifenverst\u00e4rkung f\u00fchren.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n

M\u00f6chten Sie mehr \u00fcber Quarze und Oszillatoren erfahren?<\/strong> Dann h\u00f6ren 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<\/a>. <\/p>\n\n\n\n

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