Oszillatoren – Taktgeber für Elektronikschaltungen

Oszillatoren sind elektronische Schaltungen, die ein periodisches Ausgangssignal einer fest definierten Form und Frequenz erzeugen. Der Begriff Oszillator bedeutet so viel wie schwingender Körper, er kommt vom lateinischen „oscillare“ – „schaukeln“ oder „sich hin und her bewegen“. Von mechanischen Pendeln sind moderne Oszillatoren aber weit entfernt.

Dank des piezoelektrischen Effektes, entdeckt 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie, kann man mit mechanischem Druck an bestimmten Materialien wie Kristallen elektrische Spannung erzeugen. Quarz verfügt über besonders gute piezoelektrische Eigenschaften. Man schätzt Quarzoszillatoren bis heute für die hohe Genauigkeit und Stabilität ihrer Taktsignale.

Der technologische Fortschritt macht auch vor Oszillatoren nicht Halt: Heutige Bauteile im Miniaturformat verfügen über ein großes Leistungsspektrum, sodass sie problemlos in kleinsten Gehäusen verbaut werden können. Sie bilden bis heute das Herzstück vieler technischer Geräte. Als typische Beispiele für ihre Verwendung seien zu nennen:

• Zur Erzeugung stetiger Schwingungen verschiedenster Frequenzen und Klängen bei Synthesizern,
• als Taktgeber in elektronischen Geräten an mit digitalen Schaltkreisen, Mikroprozessoren und Mikrocontrollern,
• als wichtige Komponenten der Frequenzsteuerung in der Datenübertragung und Telekommunikation.

Moderne Quarzoszillatoren, kurz XO, sind elektronische Schaltungen, die einen Schwingquarz als frequenzbestimmendes Bauelement nutzen. Sie sind dank ihrer hohen Schwingungsstabilität eine ideale Taktquelle. Größe, Stärke und Form des Quarzkristalls bestimmen seine Resonanzfrequenz, welche nahezu unabhängig von äußeren Umgebungseinflüssen ist. Dank PPL-Schaltungen lassen sich heute Frequenzen bis in den Gigahertzbereich erzeugen.

Quarzoszillatoren geben ein stabiles Rechteckssignal aus, das man als Taktsignal für elektronische Anwendungen nutzt. Und das entsteht so: Die an den Quarzkristall angelegte elektrische Spannung verändert dessen Kristallgitterstruktur. Diese mechanische Formänderung erzeugt elektrische Signale, die mit einem Inverter verstärkt werden. So beginnt der Quarz auf seiner Eigenresonanz zu schwingen. Nur mit Energiezufuhr von außen bleibt diese erzwungene Schwingung konstant, ohne dass der Schwingkörper in seine Ruhelage zurückkehrt.

In der Praxis unterscheidet man zwischen individuell konfigurierbaren Schwingquarzen und fertigen Quarzoszillatoren, bei denen elektronische Schaltungen und Verstärker bereits im Gehäuse integriert sind. Solche vorkonfigurierten Quarzoszillatoren sind durch Frequenz, Art des Ausgangssignals, Temperaturbereich, Stabilität und Gehäuseart speziell für bestimmte Anforderungen ausgestattet. Sie sind genauer, zuverlässiger und erfüllen höhere Ansprüche in puncto Qualität und Anschwingsicherheit.

RC-Oszillatoren

Bei diesen Oszillator-Schaltungen sorgen ein in Reihe oder parallel geschalteter Widerstand und Kondensator für wiederkehrende Aufladungen und Entladungen, welche in ein periodisches Ausgangssignal resultieren. Das bekannteste und meist verkaufte RC-Glied sind NE555 Schaltungen, die ein Rechteckssignal erzeugen. Mit einem integrierten Timer steuert dieses Standard-Bauteil in elektronischen Geräten zeitabhängig und lässt sich beispielsweise als Taktgeber, Oszillator und für Zeitverzögerungen verwenden. Wien-Oszillatoren generieren dagegen ein Sinussignal. RC Oszillatoren sind einfach im Aufbau, verfügen über eine schnelle Einschwingzeit und gehören damit zu den anschwingsicheren und robusten Oszillatoren. Der Einbau in integrierte Schaltkreise (ICs) ist einfach und erweitert den Frequenzbereich von einigen Dutzend MHz deutlich. Die Geräte sind jedoch relativ ungenau und stark temperaturabhängig.

LC-Oszillatoren

Ein LC-Schwingkreis ist eine resonanzfähige elektrische Schaltung. Er besteht aus einer Spule und einem Kondensator und erzeugt harmonische Schwingungen, die mit denen mechanischer harmonischer Oszillatoren vergleichbar sind. LC- Oszillatoren bieten eine hohe Signalgüte und arbeiten genauer als RC-Oszillatoren. Besonders gut eignen sie sich für den Hochfrequenz- bis hin zum Mikrowellenbereich. Man kann sie jedoch wegen des von der Spule erzeugten Magnetfelds nicht in ICs integrieren.

Gängige LC Schaltungen:

• Meissner Oszillator: Seine ungedämpfte Schwingung wird durch eine Rückkoppelung aufrechterhalten. Früher wurde er zum Beispiel in Ampelschaltungen und zur Verkehrszählung genutzt. Heute kommt er nur noch selten zum Einsatz.
• Colpitts-Oszillator: Er erzeugt über eine kapazitive Dreipunktschaltung eine hochfrequente periodische Wechselspannung. Weil er so zuverlässig ist, findet man ihn häufig in Funktionsgeneratoren.
• Hartley-Oszillator: Ein Oszillator mit induktiver Dreipunktschaltung.

MEMS Oszillatoren

Elektronische Schaltungen, die als frequenzbestimmendes Element einen Resonator anstelle eines Schwingquarzes aus Polysilizium enthalten, kommen mit besonders kleinen Abmessungen einher. Sie enthalten eine Phasenregelschleife (PPL), mit denen sich die Ausgangsfrequenzen in Form und Stärke individuell programmieren lassen. Weil die MEMS Oszillatoren sehr klein sind, sind sie kostengünstig und lassen sich gut verbauen. Sie werden oft genutzt, obwohl sie anfällig für Temperaturschwankungen sind und ein vergleichsweise hohes Phasenrauschen aufweisen. Sie kommen zum Beispiel in Smartphones zum Einsatz.

Der wohl wichtigste Parameter für Oszillatoren ist die Konstanz ihrer Frequenz. Mit Quarzoszillatoren lassen sich auch heute noch die stabilsten und zuverlässigsten Signale erzeugen. Man setzt sie deswegen als Zeitreferenz in Uhrenschaltungen ein. So können selbst günstige Quarzuhren eine Genauigkeit vorweisen, die mit teuren Luxusmodellen mit rein mechanischen Uhrwerken in der Preisklasse eines Kleinwagens locker mithalten. Vor allem aus der Datenverarbeitung und Takterzeugung in Prozessor-Systemen sind die präzisen Taktgeber nicht wegzudenken.

Grundsätzlich kann es von Kristall zu Kristall zu minimalen Frequenzabweichungen kommen. Abgesehen davon hängt die Frequenzkonstanz von den drei wesentlichen Einflussfaktoren Temperatur, Eingangsspannung und Alter ab. Diese können kurzzeitige Ungleichmäßigkeiten in der Schwingfrequenz (Frequenzrauschen) oder das Weglaufen des Signals (Frequenzdrift) verursachen. Die Messgröße für Signalabweichungen, ppm (engl. parts per million), gibt die Abweichung eines Teils pro Million an. Die Abweichungen liegen heute bei unkompensierten Oszillatoren beispielsweise etwa um +/-5 ppm. Auf den ersten Blick erscheinen solche Werte unwesentlich. Doch der Schein trügt: In Nachrichtensystemen können solche scheinbar geringen Abweichungen zu erhöhten Bitfehlerraten und die Gerätefunktion wesentlich beeinträchtigen. Noch feiner ist ppb (parts per billion, deutsch: Abweichung pro Milliarde).

Oszillatoren unterliegen einem anfänglichen Alterungsprozess, ihre endgültige Stabilität erreichen sie erst, nachdem sie einige Tage im Einsatz waren. Deswegen durchlaufen sie bei der Herstellung einen künstlichen „Pre-Aging“-Prozess, um die hohen Qualitätsansprüche der Digitaltechnik an die Beständigkeit von Signalgebern zu erfüllen.

Die Signalqualität von Quarzoszillatoren lässt sich durch die Steuerung von Temperatur und Spannung deutlich verbessern. Damit genügen sie auch hochspezifischen Anforderungen in der Industrie 4.0. Hier setzt man optimierte Quarzoszillatoren als Taktgeber bei der Funk-Datenübertragung über WiFi, Bluetooth oder bei Systemen wie ZigBee und SigFox in IoT -Funksensorknoten sowie bei Laptops und Smartphones als Steuerungsgeräte ein.

Dafür verwendet man entweder Regelschaltungen auf Basis von Temperatursensoren in temperatur-kompensierten Quarzoszillatoren (TCXO), oder man baut den Quarzkristall in Thermostate ein. Diese nennt man temperaturgesteuerte oder Ofenoszillatoren (OCXO). Mit diesen beiden Techniken lassen sich ausgesprochen langzeitstabile Oszillatorschaltungen mit Abweichungen von +/- 0,1 ppm aufbauen.

In spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) bzw. in spannungsgesteuerten Quarzoszillatoren (VCXO) stellt man die Schwingfrequenz mithilfe einer Steuerspannung auf einen bestimmten Frequenzbereich ein. Man verwendet sie in der Musik bei Synthesizern, FM-Modulatoren, Radar Sweepern und Taktrückgewinnungs-Modulen.

Welcher ist der Richtige? Achten Sie beim Kauf auf einige technische Parameter. Die wichtigsten haben wir hier für Sie zusammengestellt.

Frequenzbereich: Quarzoszillatoren setzt man gewöhnlich in Frequenzbereichen von 32,768 kHz bis 50 MHz ein. Sie sind aber auch für Hochfrequenzanwendungen bis 200 MHz erhältlich. Frequenztoleranz: Sie bestimmt die maximal zu erwartende Abweichung von der Nennfrequenz bei Temperaturen von 25 °C.

Ausgangsleistung: Wenn die Anwendung über die reine Signalerzeugung hinausgehen und beispielsweise eine Spannungsquelle erzeugt werden soll, benötigt der Oszillator eine höhere Ausgangsleistung.

Tuning-Spannung / Tuning-Empfindlichkeit: Bei den meisten Oszillatoren lassen sich die Frequenzen zum Beispiel für Modulationen oder für fabrikbedingte Abweichungen anpassen. Dabei kommt es auf die Tuning-Spannung und Tuning-Empfindlichkeit an, das heißt, in welchem Bereich man mit welchen Abstufungen justieren kann.

Montageart: Oszillatoren sind traditionell mit einem Gehäuse für die Durchsteckmontage (THT) bestückt. Kompakter sind allerdings SMD-Gehäuse für die Oberflächenmontage, die über lötfähige Anschlussflächen statt Drahtanschlüsse an der Leiterplatte verfügen.

Größe: Oszillatoren sind heute mit Abmessungen im Millimeterbereich zu haben, das spart Platz und erlaubt immer kleinere Geräte. Besonders wichtig ist die Größe bei Ersatzbeschaffungen, damit der Oszillator auch in den vorhandenen Schaltkreis passt.

Betriebsspannung: Um eine präzise Frequenz zu erreichen, benötigt man eine genau definierte und konstante Betriebsspannung, sonst werden die Schwingungen des Taktgebers ungenau. Diese beträgt in der Regel 2,5, 3, 3,3 oder 5 Volt. Mittlerweile existieren aber auch Oszillatoren, die bei variabler Spannung in einer bestimmten Bandbreite stabile Frequenzen erzeugen. Kompatibilität des Ausgangssignals: Als Bestandteil in ICs müssen Oszillatoren mit verschiedenen Halbleiter-Technologien wie TTL, CMOS oder HCMOS kompatibel sein.

Betriebstemperatur: Hohe Temperaturen können Oszillatorsignale selbst bei beständigen Quarzoszillatoren verfälschen. Der zulässige Arbeitstemperaturbereich reicht von - 40 bis über 100 °C. Wie sich das Schwingverhalten mit Temperaturänderungen im angegebenen Bereich verändert, geben die Hersteller im Datenblatt an.