Kwartsoscillatoren en hun toepassingen

Inleiding:

Kwartsoscillatoren zijn elektronische schakelingen gebaseerd op een oscillerend kwartskristal om een zeer stabiele frequentie te genereren. Afhankelijk van de vereisten en omgevingscondities kunnen frequentiestabiliteiten in het bereik van 10E-5 tot 10E-12 per dag worden bereikt. Gestandaardiseerde oscillatormodules zijn beschikbaar voor alledaagse toepassingen, terwijl oscillatoren met hoge precisie meestal afzonderlijk worden ontworpen en gefabriceerd voor speciale vereisten.

Typen oscillatoren:

Volgens internationale standaarden worden kristaloscillatoren onderverdeeld in de volgende categorieën:

1. SPXO - Eenvoudige Pakket Kristal Oscillatoren
2. VCXO - Spanningsgestuurde kristaloscillator
3. TCXO - Temperatuur Gecompenseerde Kristal Oscillator
4. OCXO - Temperatuur Gestabiliseerde Kristal Oscillatoren (Ovengestuurde Kristal Oscillator)
5. LPXO - Kristal oscillatoren met laag vermogen met temperatuurstabiliteiten van ±0.5ppm boven -40/+85°C en met een veroudering van ±1x10E-6.

Temperatuurgedrag

Temperatuurveranderingen beïnvloeden de kristalfrequentie, zelfs bij temperatuurstabiele AT-geslepen kristallen. Extra schakelelementen of IC's kunnen dit gedrag verergeren. Frequentiedeling is een mogelijke methode om de nauwkeurigheid bij lage frequenties te verbeteren.

Invloeden van bedrijfsspanning en belasting

De frequentie is gevoelig voor spanningsveranderingen, vooral door de verandering in capaciteit van de versterkertransistors. De belastingsimpedantie aan de uitgang beïnvloedt ook de frequentie. Bufferversterkers helpen deze effecten te minimaliseren.

Gedrag op lange termijn

Frequentieveroudering is meestal het grootst in de eerste paar maanden van gebruik. Zogenaamde "burn-in" bij hoge temperaturen kan deze veroudering verminderen. Zeer stabiele oscillatoren blijven in stand-by om frequentiedrift bij het inschakelen te voorkomen.

VCXO's (voltagegestuurde kwartsoscillatoren) maken frequentieregeling mogelijk via een externe gelijkspanning. Ze worden normaal gesproken alleen gebruikt om een apparaat/toepassing te synchroniseren met een binnenkomend referentiesignaal (master-slave concept) of voor frequentiemodulatie. Een capaciteitsdiode (varactor) vervangt de trimcondensator.

Typische parameters:

• Frequentietrekbereik (trekbereik = bijvoorbeeld ±50ppm min.)
• Trekgevoeligheid (pullability = bijvoorbeeld ±10ppm/pF)
• Niet-lineariteit van de modulatie (bijvoorbeeld 10% max.)

Met de TCXO wordt de frequentieverandering gecompenseerd door temperatuur. Afhankelijk van het proces kan de regeling analoog (met thermistornetwerken) of digitaal (met sensor, ADC, geheugen en DAC) zijn.

TCXO's beleven een ware renaissance in communicatie- en navigatietechnologie en kunnen zeer goedkoop worden geproduceerd dankzij de IC's die we gebruiken. TCXO's zijn de meest gebruikte kristaloscillatoren met hoge precisie en worden gekenmerkt door zeer goede faseruis en uitstekende jitterwaarden. Hierdoor zijn TCXO's ook de eerste keuze en te verkiezen boven MEMS oscillatoren wanneer ze worden gebruikt in schakelingen met daaropvolgende frequentievermenigvuldiging.

Typische toepassingsgebieden zijn GPS- en GLONASS-toepassingen, smartphones, radioapparatuur, IoT, IIoT, slimme metertoepassingen, routers, meetapparatuur, enz.

Bereikbare frequentiestabiliteit:

• Typisch <0,5 - 2,5 ppm over -40 - +85 °C

OCXO's werken met een verwarmde thermostaat die de kwarts en eventueel de schakeling op een constante temperatuur houdt. Bij de OCXO kan de thermostaat temperatuur in het bereik van +85°C liggen. In principe ligt de verwarmingstemperatuur dicht bij het omkeerpunt van de TC-curve van de kwarts. Om de frequentiedrift van de kwartsresonator te minimaliseren, wordt een kwartskristal gebruikt in een boventoon in de OCXO. Normaal gesproken in de 3e of 5e boventoon. Vooral in de 5e boventoon is de dynamische capaciteit C1 (shuntcapaciteit) erg laag, waardoor het gemakkelijker is om de kristalfrequentie te compenseren.

Er zijn eentraps- en tweetraps (dubbele) thermostaten. Deze laatste bieden maximale temperatuurstabiliteit met lage frequentieafwijkingen. Verder worden, afhankelijk van de vereiste nauwkeurigheid, kwartsresonatoren in AT- of SC-snede gebruikt. SC-geslepen kristallen bieden een veel hogere frequentienauwkeurigheid en een veel hogere temperatuurstabiliteit dan AT-geslepen kristallen.

Typische nauwkeurigheden:

• < 1 x 10E-7 (OCXO enkelvoudig)
• < 1 x 10E-9 (OCXO dubbel)

Vanwege het energieverbruik en de afmetingen is het gebruik van OCXO's meestal voorbehouden aan toepassingen met hoge precisie, zoals basisstations voor mobiele telefonie, GPS-referentiestandaarden, meettechnologie of telecommunicatie.

Overzicht van belangrijke oscillatorparameters

• Nominale frequentie en tolerantie
• Frequentieverandering door: Temperatuur, spanning, belasting, tijd (veroudering)
• Inloopgedrag, stabiliteit op korte termijn
• Voeding: spanning, stroom, rimpel
• Uitgangssignaal: niveau, vorm, ruis
• Omgevingsfactoren: temperatuurbereik, schokken, trillingen

LPXO's zijn een "middenweg" tussen SPXO's en TCXO's. LPXO's worden altijd gebruikt wanneer een laag stroomverbruik vereist is of wanneer de frequentietolerantie van een SPXO te laag is maar die van een TCXO te precies. Dit betekent dat een LPXO altijd goedkoper is dan een TCXO.