Quarzoszillator

Geöffneter Quarzoszillator mit rundem Schwingquarzplättchen und elektronischer Oszillatorschaltung

Diese Quarzoszillatoren werden mit einem Metall- oder Kunststoffgehäuse im Rastermaß von integrierten Schaltungen hergestellt. Sie liefern eine Logik-kompatible Rechteckschwingung (ein Taktsignal) mit sehr genau definierter Frequenz. Sie benötigen eine Betriebsspannung und enthalten alle für einen Oszillator erforderlichen Komponenten. Die Frequenz dieser Quarzoszillator-Bausteine ist auf der Gehäuseoberseite normalerweise in Megahertz aufgedruckt. Die Ungenauigkeit der Frequenz wird in ppm angegeben. Je geringer diese Ungenauigkeit, desto aufwendiger (und damit teurer) ist das Bauteil.

Geläufige Bauformen für die Durchsteckmontage sind DIP 14 (rechteckig, siehe Bild) und die kürzere Bauform DIP 8 (quadratisch). Daneben gibt es Quarzoszillatoren auch in kleineren Chipgehäuse als Surface-mounted device (SMD). Übliche Versorgungsspannungen orientieren sich an der Versorgung von digitalen Schaltungen wie 1,8 V, 2,5 V oder 3,3 V und die früher häufig bei Transistor-Transistor-Logik (TTL) verwendeten 5 V.[2]

Pierce-Schaltung mit Logikgattern

Insbesondere in der Digitaltechnik werden zur Erzeugung von Taktsignalen Logikgatter, üblicherweise Inverter mit Schmitt-Trigger-Eingängen, verwendet. Die betreffende Schaltung wird als Pierce-Schaltung bezeichnet und ist durch einen einfachen Aufbau ohne Spulen gekennzeichnet. Die Inverterstufe U₁, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, kann auch Teil von integrierten Schaltungen (IC) sein, wobei an dem IC dann nur die Anschlusspins für den extern anzuschließenden Schwingquarz X herausgeführt sind (typischerweise mit Bezeichnungen wie XTAL gekennzeichnet). Dieser Oszillator lässt sich auch mit Hilfe von CMOS-Inverterstufen realisieren, was seine große praktische Verbreitung begründet.

Der Quarz schwingt in dieser Schaltung in Parallelresonanz und gestattet nur Schwingungen entsprechend seiner Grundfrequenz. Die Schaltung ist ohne große Änderung für alle Quarzfrequenzen zwischen etwa 30 kHz und 10 MHz verwendbar, die erzeugte Frequenz kann durch Variation der beiden Kondensatoren C₁ und C₂ geringfügig geändert werden.

Die zweite Inverterstufe U₂ dient als Verstärkerstufe und der Impulsformung: Am Ausgang wird durch U₂ eine Rechteckschwingung erzeugt, die direkt als Taktsignal für digitale Schaltungen, wie getaktete Flipflops oder Mikroprozessoren, verwendet werden kann.

Diese Schaltung ist für höhere Frequenzen dimensioniert und erzeugt – je nach Resonanzfrequenz des Schwingkreises – entweder 15 MHz oder 45 MHz. Den Schwingkreis muss man etwa auf die Frequenz der ungeraden Oberwelle des Quarzes abstimmen, die man erzeugen möchte. Das Synchronisieren der Frequenzen von Quarz und Schwingkreis kann man an der sprunghaften Änderung der Spannung zwischen den Messpunkten A und B erkennen. Auffallend an dieser Schaltung ist das Fehlen einer sichtbaren Rückkopplung. Trotzdem funktioniert diese Schaltung, weil der Transistor interne Kapazitäten sowohl zwischen Kollektor und Emitter als auch zwischen Basis und Emitter besitzt.

Funktion: Wenn man den Quarz durch einen Kondensator ausreichender Kapazität (einige nF) ersetzen würde, hätte man einen Transistorverstärker in Basisschaltung, wie er oft in UKW-Verstärkern verwendet wird. Diese Schaltung besitzt keine Phasenverschiebung zwischen dem Eingang am Emitter und dem Ausgang am Kollektor. Durch eine kleine Kapazität (wenige pF genügen) zwischen Kollektor und Emitter kann man eine Rückkopplung herstellen, die aus dem Verstärker einen Oszillator macht.

In nebenstehender Schaltung genügt dafür die interne Kapazität des Transistors zwischen C und E. Diese Rückkopplung erzeugt aber eine Phasenverschiebung, die mehr bei 90° als bei den erforderlichen 0° liegt, weil zwischen Basis und Emitter der Eingangswiderstand des Transistors nicht ebenfalls ein Kondensator liegt. Das wird mit dem kleinen 10-pF-Kondensator links korrigiert. Die Frequenz dieses Oszillators wird durch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises am Kollektor bestimmt.

Wenn man nun den Kondensator an der Basis wieder – wie gezeichnet – durch einen Schwingquarz ersetzt, kann der Oszillator nur dann schwingen, wenn die Basis wechselstrommäßig „kalt“ ist, wenn also das Quarzelement einen besonders geringen Wechselstromwiderstand darstellt. Das ist der Fall bei Serienresonanz und allen ungeraden Vielfachen. Bei allen anderen Frequenzen ist die Verstärkung der Basisschaltung zu gering und die Schwingungen werden nicht angefacht.

Ein Quarzoszillator, der durch Zuschaltung eines Trimmkondensators in seiner Frequenz in geringem Umfang verändert werden kann (einige ppm) wird meist VXO (englisch Variable Crystal Oscillator – das „X“ steht dabei für Xtal, die Kurzform von Crystal.) genannt. Vor der Verfügbarkeit genau gefertigter Schwingquarze waren solche Trimmer nötig, um zum Beispiel die Ganggenauigkeit von Quarzuhren abzugleichen. Ist der Quarzoszillator durch elektrische Spannung trimmbar, wird er VCXO (englisch voltage controlled crystal oscillator, Quarzoszillator mit über Spannung trimmbarer Frequenz) genannt. TCVCXO (englisch Temperature Compensated Voltage Controlled Crystal Oscillator) bzw. OCVCXO (englisch Oven Controlled Voltage Controlled Crystal Oscillator) stehen für temperaturkompensierte bzw. beheizte einstellbare Oszillatoren.

Die Regelspannung kann z. B. Temperaturabhängigkeiten oder Alterung entgegenwirken. Dabei kann die Frequenz meist nur in der Größenordnung von 100 ppm verändert werden. Das Einsatzgebiet sind häufig Frequenzgeneratoren, steuerbare Oszillatoren in Phasenregelschleifen und andere Hochfrequenzmess- und Prüfgeräte.