Überlegungen zum Design von Oszillatorschaltungen

Die genaue Frequenz, bei der ein Oszillator arbeitet, hängt von den Phasenwinkelschiebungen innerhalb des Oszillatorschaltkreises ab. Jegliche Nettoänderung des Phasenwinkels führt zu einer Änderung der Ausgangsfrequenz. Da das übliche Ziel eines Oszillators darin besteht, eine Frequenz zu liefern, die im Wesentlichen unabhängig von Variablen ist, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Netto-Phasenschiebung zu reduzieren. Die wohl beste und sicherlich am weitesten verbreitete Methode, die Netto-Phasenverschiebung zu minimieren, besteht darin, eine Quarzkristalleinheit in die Rückkopplungsschleife einzubinden.

Die Impedanz eines Quarzkristalls ändert sich so drastisch mit Änderungen der angelegten Frequenz, dass alle anderen Schaltungskomponenten im Wesentlichen als kontinuierliche Reaktanz betrachtet werden können. Folglich wird, wenn eine Kristalleinheit in der Rückkopplungsschleife eines Oszillators verwendet wird, die Frequenz der Kristalleinheit sich so regulieren, dass die Kristalleinheit eine Reaktanz darstellt, die die Phasenanforderungen der Schleife erfüllt. Eine Darstellung der Reaktanz in Abhängigkeit von der Frequenz einer Quarzkristalleinheit ist unten gezeigt.

Wie in Abbildung B ersichtlich ist, hat die Quarzkristalleinheit zwei Frequenzen mit null Phasen. Die erste, oder die niedrigere der beiden, ist die Serienresonanzfrequenz, die üblicherweise mit Fs abgekürzt wird. Die zweite oder höhere der beiden Frequenzen mit null Phasen ist die entsprechende oder Antiresonanzfrequenz, die üblicherweise mit Fa abgekürzt wird. Sowohl die Serien- als auch die entsprechende Resonanzfrequenz erscheinen in einem Oszillatorkreis resistiv. Am Serienresonanzpunkt ist der Widerstand minimal und der Stromfluss maximal. Am parallelen Punkt ist der Widerstand maximal und der Stromfluss gering. Folglich sollte die Parallelresonanzfrequenz Fa niemals als steuernde Frequenz eines Oszillatorkreises verwendet werden.

Ein Quarzkristall kann durch die Einbindung reaktiver Komponenten (meist Kondensatoren) in den Rückkopplungskreis der Oszillatorschaltung an jedem Punkt zwischen den Serien- und Parallelresonanzpunkten zum Schwingen gebracht werden. Daher ist die Frequenz, die durch die Hinzufügung von Kapazität entsteht, höher als die Serienresonanzfrequenz; sie wird üblicherweise als Parallelfrequenz bezeichnet, ist jedoch geringer als die tatsächliche Parallelfrequenz.

So wie es zwei Frequenzen von Nullphasen gibt, die mit einer Quarz-Kristalleinheit verbunden sind, gibt es auch zwei Hauptoszillatorschaltungen. Diese Schaltungen werden gewöhnlich durch die Art der zu verwendenden Kristalleinheit definiert, nämlich „Serie“ oder „Parallel“.

Reihenschaltung: Ein Serienresonanz-Oszillatorschaltkreis verwendet einen Kristall, der für den Betrieb bei seiner natürlichen Serienresonanzfrequenz ausgelegt ist. In einer solchen Schaltung gibt es keine Kondensatoren in der Rückkopplungsschleife. Serienresonanz-Oszillatorschaltungen werden hauptsächlich aufgrund ihrer minimalen Anzahl an Bauteilen verwendet. Solche Schaltungen können jedoch Rückkopplungswege bieten, die nicht über die Kristalleinheit führen. Daher kann eine solche Schaltung im Fall eines Kristallausfalls weiterhin bei einer beliebigen subjektiven Frequenz oszillieren. Eine Darstellung einer einfachen Serienresonanz-Oszillatorschaltung ist unten angegeben.

Wie aus Abbildung C ersichtlich ist, bietet eine Serienresonanz-Oszillatorschaltung keine Möglichkeit zur Anpassung der Ausgangsfrequenz, falls eine Modifikation erforderlich ist. In der oben genannten Schaltung wird der Widerstand R1 genutzt, um den Inverter zu biasen und ihn dazu zu bringen, im linearen Bereich zu arbeiten. Dieser Widerstand liefert außerdem eine negative Rückkopplung zum Inverter. Kondensator C1 ist ein Verbindungskondensator, der dazu verwendet wird, die Gleichspannung zu blockieren. Widerstand R2 wird zur Biasung der Kristalleinheit verwendet; daher muss darauf geachtet werden, dass kein zu kleiner Wert gewählt wird. Kristalleinheit Y1 ist eine Serienresonanz-Kristalleinheit, die so spezifiziert ist, dass sie bei der bevorzugten Frequenz und mit der gewünschten Frequenztoleranz und Stabilität funktioniert.

Parallelschaltung: Ein parallel resonanter Oszillatorschaltkreis verwendet eine Kristalleinheit, die so konstruiert ist, dass sie mit einem vorgeschriebenen Wert der Lastkapazität arbeitet. Dies führt zu einem Ergebnis, bei dem die Kristallfrequenz höher ist als die Serienresonanzfrequenz, aber niedriger als die tatsächliche Parallelresonanzfrequenz. Diese Schaltungen bieten keine anderen Wege als durch die Kristalleinheit, um die Rückkopplungsschleife zu schließen. Im Falle eines Ausfalls der Kristalleinheit wird die Schaltung nicht weiter oszillieren. Eine einfache Beschreibung eines parallel resonanten Schaltkreises ist unten aufgeführt.

Diese Schaltung nutzt einen einzelnen Inverter mit zwei Kondensatoren in der Rückkopplungsschleife. Diese Kondensatoren umfassen die „Lastkapazität“ und bilden zusammen mit der Kristalleinheit die Frequenz, bei der der Oszillator arbeitet. Wird der Wert der Lastkapazität verändert, ändert sich entsprechend die Ausgangsfrequenz des Oszillators. Daher bietet diese Schaltung eine geeignete Möglichkeit zur Anpassung der Ausgangsfrequenz, falls eine Anpassung erforderlich ist.

Die Widerstände R1 und R2 erfüllen dieselben Funktionen wie beim Serienresonanzkreis, der in Abbildung C dargestellt ist. Die beiden Lastkondensatoren, CL1 und CL2, helfen dabei, die Frequenz festzulegen, bei der die Kristalleinheit und somit der Oszillator arbeiten wird. Die Kristalleinheit Y1 ist eine parallel resonante Kristalleinheit, die so ausgelegt ist, dass sie mit einem spezifizierten Wert der Lastkapazität bei der bevorzugten Frequenz sowie mit der gewünschten Frequenztoleranz und Stabilität arbeitet.

Es wurde Bezug auf eine „spezifizierte Lastkapazität“ genommen. Die Lastkapazität kann beschrieben werden als „der Kapazitätswert, gemessen oder berechnet, der im Oszillatorschaltkreis über die Verknüpfungspunkte des Kristalls besteht“. Im Fall eines Serienresonanzschaltkreises besteht keine Kapazität zwischen den Verbindungspunkten der Kristalleinheit, und daher muss die Lastkapazität für eine Serienresonanz-Kristalleinheit nicht angegeben werden. Im Fall eines Parallelresonanz-Oszillatorschaltkreises ist jedoch Kapazität vorhanden. Da eine direkte Messung dieser Kapazität unpraktisch ist, wird häufig die Berechnung des Wertes erforderlich. Die Berechnung des Wertes der Lastkapazität erfolgt mit der folgenden Gleichung:

Dabei sind CL1 und CL2 die Lastkapazitäten und Cs die vagabundierende Schaltungskapazität, üblicherweise 3,0 bis 5,0 pF.

Antriebsniveau: Das „Antriebsniveau“ bezeichnet die Leistung, die von der Kristalleinheit während des Betriebs abgegeben wird. Die Leistung ist eine Funktion des angelegten Stroms und wird üblicherweise in Milliwatt oder Mikrowatt angegeben. Kristalleinheiten sind mit bestimmten maximalen Antriebsniveaus spezifiziert, die sich als Funktionen der Frequenz und des Betriebsmodus verändern. Es ist ratsam, sich mit dem Anbieter der Kristalleinheit bezüglich des maximal zulässigen Antriebsniveaus für eine spezifische Kristalleinheit abzusprechen. Das Überschreiten des höchsten Antriebsniveaus für eine gegebene Kristalleinheit kann zu instabilem Betrieb, erhöhten Alterungsraten und in einigen Fällen zu katastrophaler Zerstörung führen. Das Antriebsniveau kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Dabei ist „I“ der RMS-Strom durch das Kristallelement und R der maximale Widerstandswert des spezifischen Kristallelements. Gleichung (2) ist einfach das „Ohmsche Gesetz“ für Leistung.

Die Messung des tatsächlichen Ansteuerungspegels in einer Oszillatorschaltung während des Betriebs kann durch temporäres Einfügen eines Widerstands in Reihe mit dem Kristallelement durchgeführt werden. Der Widerstand muss denselben ohmschen Wert wie das Kristallelement haben. Der Spannungsabfall über den Widerstand kann dann gemessen und der Strom sowie die Leistungsaufnahme berechnet werden. Anschließend muss der Widerstand entfernt werden. Als alternative Methode zur Messung des Ansteuerungspegels kann eine Stromsonde verwendet werden, sofern am Ausgangsleiter des Kristallelements Platz vorhanden ist. Die Methode wird unten in Abbildung 1 beschrieben.

Frequenz vs Modus: Die Frequenz einer Quarzkristalleinheit wird durch die physikalischen Abmessungen des vibrierenden Quarzelements begrenzt. In einigen Fällen sind die begrenzenden Abmessungen die Länge und Breite. Im Fall der beliebtesten Kristalleinheit, der „AT“-Schnitt-Kristalleinheit, ist die begrenzende Abmessung die Dicke des vibrierenden Quarzelements. Je dünner die Dicke, desto höher die Frequenz. Ab einem bestimmten Punkt, normalerweise um 30,000 MHz, wird die Quarzplatte so dünn, dass sie nicht mehr bearbeitet werden kann.

Falls es gewünscht wird, einen Oszillator bei einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz zu entwickeln, muss man sich zunutze machen, dass Quarz-Kristalleinheiten bei ungeraden ganzzahligen Vielfachen ihrer „Grundfrequenz“ schwingen. Wir können die „Grundfrequenz“ definieren als ‚die Frequenz, die natürlicherweise bei einer gegebenen Menge mechanischer Dimensionen auftritt‘. Daher, wenn eine Kristalleinheit eine Grundfrequenz von 10,0 MHz hat, kann sie auch dazu gebracht werden, bei dem 3-, 5-, 7-fachen usw. der Grundfrequenz zu schwingen. Das heißt, die Einheit wird bei 30,0, 50,0, 70,0 usw. MHz schwingen.

Diese Vielfachen der Grundfrequenz werden als „Obertöne“ bezeichnet und durch die ganze Zahl der Multiplikation identifiziert, wie zum Beispiel „dritter Oberton“, „fünfter Oberton“ usw. Wenn die Nutzung einer Obertonfrequenz erforderlich ist, muss die Kristalleinheit so spezifiziert werden, dass sie bei der gewünschten Frequenz und dem gewünschten Oberton betrieben werden kann. Es sollte niemals versucht werden, einen Kristall für den Grundmodus zu bestellen und ihn dann bei einer Obertonfrequenz zu betreiben. Dies liegt daran, dass die Herstellungsprozesse für Grundmodus- und Obertoneinheiten unterschiedlich sind.

In vielen Fällen bestimmen die Eigenschaften des integrierten Schaltkreises, der in einer bestimmten Oszillatorschaltung verwendet wird, dass die Grundfrequenz der Kristalleinheit unterdrückt werden muss, um den Betrieb bei der gewünschten Frequenz und auf der gewünschten Oberwelle sicherzustellen. In solchen Fällen ist es meist erforderlich, die Oszillatorschaltung zu modifizieren. Eine Methode zur Modifikation besteht darin, einen „Tank“-Schaltkreis hinzuzufügen, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator. Diese Modifikationen sind in den Abbildungen F und G dargestellt.

In beiden Fällen wird der Schwingkreis so eingestellt, dass er auf eine Frequenz zwischen der Grundfrequenz und der gewünschten Frequenz resoniert. Dadurch wird die unerwünschte Frequenz auf Masse abgeleitet, sodass am Ausgang des Oszillators nur die gewünschte Frequenz vorhanden ist.

Gestaltungsüberlegungen: Für eine gute Funktion eines Oszillatorschaltkreises sollten bestimmte Gestaltungsüberlegungen beachtet werden. In allen Fällen wird empfohlen, parallele Leiterbahnen zu vermeiden, um die Streukapazität des Stromkreises zu reduzieren. Alle Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich gehalten und Komponenten isoliert werden, um eine Kopplung zu verhindern. Masseflächen sollten verwendet werden, um Signale zu isolieren.

Negative Resistanz: Für eine optimale Leistung muss ein Oszillatorschaltkreis so gestaltet sein, dass die „negative Resistanz“ – manchmal auch „Oszillationsspielraum“ genannt – maximiert wird. Die Bewertung der Menge an negativer Resistanz in einem gegebenen Schaltkreis erfolgt durch das vorübergehende Installieren eines variablen Widerstands in Serie mit der Kristalleinheit. Der Widerstand sollte zunächst auf seine niedrigste Einstellung gebracht werden, vorzugsweise nahe null Ohm. Der Oszillator wird dann gestartet und die Ausgabe mit einem Oszilloskop überwacht. Der variable Widerstand wird anschließend so eingestellt, dass der Widerstand erhöht wird, während die Ausgabe kontinuierlich überwacht wird. Bei einem bestimmten Widerstandswert wird die Oszillation eingestellt. An diesem Punkt wird der variable Widerstand gemessen, um den Ohm-Wert zu bestimmen, bei dem die Oszillation gestoppt hat. Zu diesem Wert muss der maximale Widerstand der Kristalleinheit, wie vom Anbieter angegeben, hinzugefügt werden. Der gesamte Ohm-Widerstand wird als „negative Resistanz“ oder „Oszillationsspielraum“ betrachtet. Für einen guten und zuverlässigen Betrieb des Schaltkreises wird empfohlen, dass die negative Resistanz mindestens fünfmal so hoch ist wie der spezifizierte maximale Widerstandswert der Kristalleinheit.

Werte des negativen Widerstands, die das Fünffache des maximalen Widerstands der Kristalleinheit überschreiten, sind noch besser. Da der negative Widerstand dazu neigt, bei erhöhter Temperatur abzunehmen, wird empfohlen, den Test bei der höchsten Temperatur des Betriebsbereichs durchzuführen. Siehe das nachstehend beschriebene spezielle Verfahren.

Verfahren zur Messung des negativen Widerstands