Kvarcoszcillátorok és alkalmazásuk

Bevezetés:

A kvarcoszcillátorok olyan elektronikus áramkörök, amelyek egy rezgő kvarckristályon alapulnak, és rendkívül stabil frekvenciát generálnak. A követelményektől és a környezeti feltételektől függően 10E-5 és 10E-12 közötti frekvenciastabilitás érhető el. A mindennapi alkalmazásokhoz szabványosított oszcillátor-modulok állnak rendelkezésre, míg a nagy pontosságú oszcillátorokat általában egyedi tervezéssel és gyártással készítik speciális igényekhez.

Oszcillátortípusok:

A nemzetközi szabványok szerint a kristályoszcillátorokat a következő kategóriákba sorolják:

1. SPXO - Egyszerű csomagolású kristályoszcillátorok
2. VCXO - feszültségvezérelt kristályoszcillátorok
3. TCXO - hőmérséklet-kompenzált kristály oszcillátor
4. OCXO - Hőmérséklet stabilizált kristályoszcillátorok (Oven Controlled Crystal Oscillator).
5. LPXO - Alacsony teljesítményű kristályoszcillátorok ±0,5 ppm hőmérséklet-stabilitással -40/+85°C felett és ±1x10E-6-os öregedéssel.

Hőmérsékleti viselkedés

A hőmérséklet-változások még a hőmérséklet-stabil AT-cut kristályok esetében is befolyásolják a kristály frekvenciáját. További kapcsolóelemek vagy IC-k ronthatják ezt a viselkedést. A frekvenciaosztás egy lehetséges módszer a pontosság javítására alacsony frekvenciákon.

Az üzemi feszültség és a terhelés hatásai

A frekvencia érzékeny a feszültségváltozásokra, különösen az erősítő tranzisztorok kapacitásának változása miatt. A kimeneti terhelő impedancia szintén befolyásolja a frekvenciát. A puffererősítők segítenek minimalizálni ezeket a hatásokat.

Hosszú távú viselkedés

A frekvencia öregedése általában a működés első néhány hónapjában a legnagyobb. Az úgynevezett "beégetés" magas hőmérsékleten csökkentheti ezt az öregedést. A nagy stabilitású oszcillátorok készenléti üzemmódban maradnak, hogy bekapcsoláskor elkerüljék a frekvencia sodródását.

A VCXO-k (feszültségvezérelt kvarcoszcillátorok) lehetővé teszik a frekvenciavezérlést külső egyenfeszültséggel. Általában csak arra használják őket, hogy egy eszközt/alkalmazást szinkronizáljanak egy bejövő referenciajelhez (master-slave koncepció) vagy frekvenciamodulációra. Egy kapacitásdióda (varaktor) helyettesíti a trimmelő kondenzátort.

Tipikus paraméterek:

• Frekvencia húzási tartomány (húzási tartomány = például ±50 ppm min.)
• Húzási érzékenység (húzhatóság = például ±10ppm/pF)
• A moduláció nem-linearitása (pl. max. 10%).

A TCXO esetében a frekvenciaváltozást a hőmérséklet kompenzálja. A folyamattól függően a szabályozás lehet analóg (termisztorhálózattal) vagy digitális (érzékelővel, ADC-vel, memóriával és DAC-kal).

A TCXO-k igazi reneszánszukat élik a kommunikációs és navigációs technológiában, és az általunk használt IC-knek köszönhetően nagyon olcsón gyárthatók. A TCXO-k a legszélesebb körben használt nagy pontosságú kristályoszcillátorok, amelyeket nagyon jó fáziszaj és kiváló jitterértékek jellemeznek. Ez teszi a TCXO-kat az első választássá és a MEMS-oszcillátorokkal szemben előnyösebbé akkor is, ha utólagos frekvenciaszorzóval rendelkező áramkörökben használják őket.

Tipikus felhasználási területek a GPS és GLONASS alkalmazások, okostelefonok, rádiós eszközök, IoT, IIoT, intelligens mérőberendezések, routerek, mérőeszközök stb.

Elérhető frekvenciastabilitás:

• -40 - +85 °C között jellemzően <0,5-2,5 ppm.

Az OCXO-k fűtött termosztáttal működnek, amely állandó hőmérsékleten tartja a kvarcot és esetleg az áramkört. Az OCXO-nál a termosztát hőmérséklete +85°C tartományban lehet. A fűtési hőmérséklet elvileg közel van a kvarc TC-görbéjének megfordulási pontjához. A kvarcrezonátor frekvencia-driftjének minimalizálása érdekében az OCXO-ban egy kvarckristályt használnak egy nyitóhangban. Általában a 3. vagy 5. nyitóhangban. Különösen az 5. nyitóhangban a C1 dinamikus kapacitás (söntkapacitás) nagyon alacsony, ami megkönnyíti a kristály frekvenciájának kompenzálását.

Vannak egyfokozatú és kétfokozatú (kettős) termosztátok. Az utóbbiak maximális hőmérséklet-stabilitást biztosítanak alacsony frekvenciaeltérések mellett. Továbbá, a kívánt pontosságtól függően AT vagy SC vágású kvarcrezonátorokat használnak. Az SC vágású kristályok sokkal nagyobb frekvenciapontosságot és sokkal nagyobb hőmérséklet-stabilitást biztosítanak, mint az AT vágású kristályok.

Tipikus pontosságok:

• < 1 x 10E-7 (OCXO single)
• < 1 x 10E-9 (OCXO dupla)

Az energiafogyasztás és a méret miatt az OCXO-k használata általában a nagy pontosságú alkalmazások, például mobiltelefon-bázisállomások, GPS-referenciamérő szabványok, méréstechnika vagy távközlés számára van fenntartva.

A fontos oszcillátor paraméterek összefoglalása

• Névleges frekvencia és tűréshatár
• A frekvencia változása a következők miatt: Hőmérséklet, feszültség, terhelés, idő (öregedés)
• Bejáratási viselkedés, rövid távú stabilitás
• Tápegység: feszültség, áram, hullámzás
• Kimeneti jel: szint, alak, zaj
• Környezeti tényezők: hőmérséklet-tartomány, ütés, rezgés

Az LPXO-k az SPXO-k és a TCXO-k közötti "középutat" jelentik. Az LPXO-kat mindig akkor használják, ha vagy alacsony energiafogyasztásra van szükség, vagy az SPXO frekvenciatűrése túl alacsony, de a TCXO frekvenciatűrése túl pontos. Ez azt jelenti, hogy egy LPXO mindig olcsóbb, mint egy TCXO.