Ofenstabilisierte Quarzoszillatoren

(PresseBox) (Wedel, ) Der IQOV-90 von IQD (Vertrieb: WDI AG) ist ein typisches Beispiel der modernen, leistungsstarken OCXOs und seine wesentlichen Merkmale sind ein kleines, für SMD-Bestückung bestens geeignetes Gehäuse, der Einsatz eines Kristalls mit AT- oder SC-Schnitt, was von der jeweils erforderlichen Leistung abhängig ist, und sehr niedriges Phasenrauschen, eine Auswahl von möglichen Versorgungsspannungen, geringe Alterung und ein optionaler Alarm.

In den vergangenen Jahren waren temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXO) das große Thema. Sie eignen sich zwar für viele Anwendungen, aber wenn von einem Quarzprodukt Höchstleistungen verlangt werden, dann sind ofenstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXO) schwer zu schlagen. Im Kontext betrachtet sieht man, dass ein normaler Quarzkristall über den Betriebstemperaturbereich eine typische Frequenzstabilität von ±30ppm (±30 x10E-6) besitzt und ein hochwertiger TCXO weniger als ±0,5ppm (±0.5E-6). Ein OCXO wie der IQOV-90 hat über den Betriebstemperaturbereich eine Stabilität von ±5ppb (±5E-9).

Die Charakteristik in der Abbildung zeigt, dass der AT-Schnitt bei Anwendungen zum Einsatz kommt, bei denen der Oszillator einen großen Temperaturbereich abdecken muss, wie zum Beispiel in militärischen und industriellen Anwendungen. Werden bei OCXOs Kristalle mit AT-Schnitt verwendet, wird der obere Umwandlungspunkt der Kristalle genutzt, der gewöhnlich bei +85 °C liegt. Die Oszillatorschaltung ermöglicht es, den Kristall genau auf den Umwandlungspunkt des jeweils benutzten Kristalls einzustellen. So kann der Oszillator die bestmögliche Leistung erzielen. Es ist dabei zu beachten, dass sich die Umwandlungspunkte von Kristallen in einem Los leicht unterscheiden können. Um eine gewisse Toleranz zu lassen, wird ein Oszillator gewöhnlich innerhalb von 10 °C des Kristallumwandlungspunktes betrieben. Das heißt, ein Kristall mit einem Umwandlungspunkt von +85 °C wird nur bis zu einer Temperatur von +75 °C betrieben.

Beim SC-Schnitt (= stress compensated) hat, wie sein Name andeutet, der Kristall ein geringeres Spannungsniveau als beim AT-Schnitt. Damit ergibt sich eine bessere Alterung (Langzeitleistung) und Belastbarkeit gegenüber höheren Kristallsteuersignalen, da aufgrund geringerer Reibung die Spannungs- und Wärmeerzeugung niedriger ist. Der SC-Schnitt hat im Hinblick auf die OCXO-Produktion den besonderen Vorteil, dass der Umwandlungspunkt viel höher ist als bei Kristallen mit AT-Schnitt, gewöhnlich +92 °C, und wie aus der Charakteristik zu erkennen ist, sind sie bei diesen hohen Temperaturen im Wesentlichen flach. Das bedeutet, es lassen sich leichter Oszillatoren herstellen, die bis zu +80 °C und +85 °C betrieben werden können.

Zusammenfassend kann man daher sagen, dass Kristalle mit SC-Schnitt für die Produktion von OCXOs bessere Alterungseigenschaften, bessere Tauglichkeit bei höheren Temperaturen und eine höhere Signalbelastbarkeit bieten als Kristalle mit AT-Schnitt.

Besonderheiten

Im Zusammenhang mit den technischen Eigenschaften des IQOV-90 gibt es auch einige Besonderheiten, die zu beachten sind:

a) Der Quarzkristall ist das Kernstück des Produktes, wie wir oben bereits erläutert haben.

b) Als Ausgangssignalform können Sinus oder HCMOS mit einer Last von 50 Ohm spezifiziert werden.

c) Ein wesentliches Merkmal eines jeden OCXOs ist der Energie-/Stromverbrauch. Um den Kristall permanent bei einer Temperatur von +85 °C oder höher zu betreiben, ist Energie erforderlich. Dies wird durch eine proportional geregelte Ofensteuerung mit Leistungstransistoren realisiert, um den Kristall zu erwärmen, und einen Temperaturfühler (z. B. ein Thermistor), um die Temperatur über eine Brückenschaltung einzustellen, die sich bei Erreichen der exakten Umwandlungstemperatur des Kristalls "angleicht". Der Kristall ist meist in einem Hohlraum untergebracht, zusammen mit anderen temperaturempfindlichen Komponenten, wie zum Beispiel den Abstimmkondensatoren, um Beeinträchtigungen durch externe Temperaturschwankungen zu minimieren. Auch wenn die mit einer sehr hohen Stabilität verbundenen Vorteile ihren Preis haben, wird man feststellen, dass bei einer Spannungsversorgung von 12 V der anfängliche Stromverbrauch beim Einschalten 300 mA beträgt, dieser dann aber nach Stabilisierung auf etwa 120 mA zurückgeht. Die Produkte sind nicht für Batteriebetrieb ausgelegt.

d) Frequenzabgleich bietet dem Benutzer die Möglichkeit, den Oszillator nach einer bestimmten Zeit auf die Nennfrequenz "zurückzuregeln". Trotz dem Einsatz von vorgealterten Kristallen in der Produktion und weiterer Alterung am fertigen Produkt, um beste Leistung zu gewährleisten, wird sich im Verlauf der Zeit aufgrund der Beschaffenheit des Produktes eine Frequenzänderung ergeben. Dazu gehören auch Frequenzänderungen aufgrund von Versorgungsspannungs- und Lastschwankungen, obgleich diese durch interne Spannungsregelung gering gehalten werden.

IQD FOQ produziert seine Kristalle selbst, einschließlich Bearbeitung und Einstellung und auch Verpackung. Auf diese Weise kann die volle Kontrolle über das Produkt und somit höchste Leistung gewährleistet werden.

Im Hinblick auf das Phasenrauschen lässt sich die beste Leistung im Allgemeinen mit einer "reinen Sinuswelle" erzielen, mit etwa -128dBc/Hz bei 10Hz Offset. Die Bedeutung des Phasenrauschens ist von der jeweiligen Anwendung abhängig und die endgültige Entscheidung liegt hier beim Kunden, wobei der Hersteller Anweisungen liefern kann. Es kann auch ein Ofenalarm spezifiziert werden. Dieser meldet, wenn sich der Oszillator im Aufwärmmodus befindet und nicht benutzt werden kann, da die Frequenz vom Nennwert zu weit entfernt ist, und schaltet sich dann um, um den Status "spezifikationsgemäß" anzuzeigen.

Typische Anwendungen

Ofenstabilisierte Quarzoszillatoren finden in vielen Anwendungen Einsatz, wie zum Beispiel:

1) Mobilfunk-Basisstationen
2) Labormessgeräte
3) Frequenzsynthesizer
4) Digitale Koppelnetze (SONET / SDH)
5) Stratum-3-/3E-Anwendungen
6) Bodenradarstationen
7) Fliegende Radarstationen
8) Taktische Funksysteme
9) Globale Positionierungssysteme
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