Quarze/OszillatorenLeistungsfähige TCXOsFortschrittliche TemperaturkompensationstechnikenNach einem kurzen Exkurs in die Entwicklung der TCXO-Temperaturkompensationstechniken seit den 1960erJahren, erläutert dieser Beitrag den gegenwärtigen Stand der Technik. Durch Hochintegration digitaler undanaloger Kompensationsschaltungen sind heute bei Präzisions-TCXOs Stabilitäten im Sub-ppm-Bereich möglich.Autor: Gerd Reinhold, Steve FryBild: Bernd S. - Fotolia.com72 <strong>elektronik</strong> <strong>industrie</strong> 06/2012www.<strong>elektronik</strong>-<strong>industrie</strong>.de
Quarze/OszillatorenÜber 50 Jahre lang wurden zum überwiegenden Teil Thermistor-/Widerstandsnetzefür die Temperaturkompensationvon Quarzoszillatoren eingesetzt. Dabei beseitigt einedurch ein Netzwerk aus einem oder mehreren Thermistorengenerierte Korrekturspannung die Frequenz/Temperatur-Abhängigkeitbei einem spannungsgeregelten Quarzoszillator.Mit dem Aufkommen von Kapazitätsdioden und aufgrund der beiNTC-Thermistoren erzielten Verbesserungen, wurde bei Quarzeneine wesentlich genauere Kompensation möglich, die Stabilitätenvon 0,5 ppm ermöglichte.Digitale TemperaturkompensationDie bis Ende der 1970er Jahre erzielten Technologiefortschritte beiintegrierten Schaltungen machten es schließlich möglich, Kompensationssystemezu entwickeln, die Analog-Digital-Wandlungund Halbleiterspeicher einsetzten. Firmen wie Rockwell Collinsund Greenray Industries stellten damit TCXOs her, deren Stabilitätbesser als 0,1 ppm war. Im Laufe der Jahre sind weitere digitaleImplementierungen entwickelt worden, viele mit Rechenfunktionzur Vereinfachung der Kalibrierung und des Systembetriebs. Einigevon ihnen verwendeten komplexe Temperaturmesssysteme, wieein zweimodulares Verfahren zur automatischen Temperaturerfassungdes Quarzes. Obwohl mit einigen dieser Entwürfe Temperaturstabilitätenvon 0,05 ppm oder besser erreicht wurden, handeltees sich doch um relativ große und komplexe Baugruppen, bei denenes außerdem Rauschprobleme gab.Analoge IntegrationDie neuesten Entwicklungen für TCXO-Anwendungen sind aufgrundder weiter fortgeschrittenen Integration komplexe LSICs(Last Scale Integrated Circuits) mit einer Kombination aus Präzisions-Analogfunktionen,nicht-flüchtigem Speicher, Kapazitätsdiodenund HF-Oszillatorschaltungen. Das Bild 2 zeigt das Blockschaltbildeines kompletten Präzisions-TCXO, der heute in einemGehäuse von nur 3,2 mm x 5 mm untergebracht ist.PolynomfunktionsgeneratorDas Herzstück des in Bild 2 gezeigten Blockschaltbildes ist der Generatorzur Erzeugung von Polynomfunktionen (polynomial functiongenerator). Das Ziel ist dabei, eine temperaturveränderlicheSpannung zu erzeugen, die genau der VCXO-Spannung entspricht,und die erforderlich ist, um die Oszillatorfrequenz über den gesamtenTemperaturbereich exakt auf dem Sollwert zu halten. Ausgehendvon einem linearen Temperatursensor und unter Verwendungeiner Reihe von Analogmultiplikationen werden die Koeffizienteneines Polynoms höherer Ordnung simuliert. Diese Funktionlässt sich wie folgt darstellen:Δf/f(T)= a 0+a 1(T-T i)+a 2(T-T i) 2 +a 3(T-T i) 3 +a 4(T-T i) 4 +a 5(T-T i) 5Dabei sind a0 bis a5 die Koeffizienten des zu erstellenden Polynoms,T ist die aktuelle Temperatur und T iist die "Umkehrtemperatur"des Quarzes (das heißt die Temperatur, um die die Quarzkurvein Bezug auf den unteren und oberen Umkehrpunkt zentriertist, üblicherweise liegt sie bei etwa +26 °C).Der Anpassungsbereich der Variablen wird so kalibriert, dassdie verschiedenen Schnittwinkel des AT-Schnitt-Quarzes über dengesamten Temperaturbereich erfasst sind. Alle Temperaturen werdenauf die Umkehrtemperatur des Quarzes bezogen. Die Werteder Koeffizienten werden als digitale Zahlenwerte in nicht-flüchtigenRegistern auf dem Chip gespeichert. Ein idealer AT-Quarzsollte zwar einer Kurve dritter Ordnung folgen, aufgrund derNichtlinearitäten im Schaltkreis und im Quarz ist es jedoch notwendig,auch Terme höherer Ordnung einzuschließen, um die benötigtenKompensationsspannungen zu generieren. Die Umkehrtemperaturdes Quarzes spielt eine wichtige Rolle bei der Kurvenanpassung.Sie ist eine der Variablen, die programmierbar seinmüssen, um eine größere Palette von Quarzen verwenden zu können.Manche rechteckigen Miniatur-Schnitt-Quarze können Umkehrtemperaturenvon bis zu 40 °C aufweisen, was eine genaueKompensationskurvenanpassung schwierig macht.Integrierte OszillatorfunktionenDa die TCXO-Basisarchitektur auf einem einzigen IC untergebrachtist, werden bei einer fortschreitenden Verkleinerung derPräzisionsoszillatoren in Zukunft kleinere Resonatoren benötigt.Auf den neuesten Chips sind außer dem Funktionsgenerator auchalle anderen Oszillatorfunktionen enthalten. Sämtliche Schaltkreiseauf dem Chip werden über einen Präzisions-LDO-Spannungsreglerversorgt. Um die benötigte Frequenzstabilität zu erreichen,sind stabile Spannungen erforderlich, daher ist eine präzise Referenzspannungsquellevon entscheidender Bedeutung. Die niedrigsteBetriebsspannung geht herunter bis +2,7 V. Die Treiberschaltungdes Quarzoszillators befindet sich auch auf dem Chip.Dabei ist der Treiberstrom programmierbar, um unterschiedlicheQuarzimpedanzen und -frequenzen bedienen zu können.Die Ausgangsstufe arbeitet als Pufferstufe gegen Lasten aufQuarz und Oszillator und liefert die benötigten Ausgangsspannungen.Die meisten ASICs liefern entweder ein CMOS-Rechteckoder einen Clipped-Sine-Wave mit niedrigem Pegel (1 V SS). ElektronischeFrequenzregelung zur Implementierung einer VCXO-Funktion ist möglich. Zur Speicherung von Seriennummern undsonstiger Charakterisierungsdaten zur besseren Automatisierungist es sinnvoll, einige Bytes dafür an Speicher zur Verfügung zuhaben.Kalibrierungs- und KompensationsverfahrenAufgrund der inhärenten Eigenschaften der Quarz-Oszillator-Kombination ist eine Messung und Kalibrierung jedes einzelnenOszillators notwendig, wenn Werte unter 1 ppm angestrebt werden.Obwohl die meisten TCXOs in einer gegebenen Charge sehrähnlich sind, werden bei einer Kurvenanpassung auf weniger als1 ppm keine zwei Teile genau gleich sein. Daher ist es wichtig, jedenOszillator über den gesamten einschlägigen Temperaturbereichaktiv zu charakterisieren, um dann die anfänglichen Koeffizienten-Parameterin das Bauteil zu laden.Dazu wird in einem Durchlauf jeder einzelne Oszillator in demeinschlägigen Temperaturbereich betrieben; dabei wird die VC-XO-Regelspannung ermittelt, die notwendig ist, um den Ausgangauf Nennfrequenz zu halten. Die so ermittelten Daten werden inAuf einen BlickIntegrierte OszillatorfunktionenDa die TCXO-Basisarchitektur auf einem einzigen integrierten Schaltkreisuntergebracht ist, was sie für zahlreiche Anwendungen geeignetmacht, werden bei einer fortschreitenden Verkleinerung der Präzisionsoszillatorenin Zukunft kleinere Resonatoren benötigt. Auch wenndie Quarzresonatoren für die Massenfertigung in kleinen Abmessungenhergestellt werden können, kann aufgrund der physikalischenBegrenzungen eine bestimmte Größe nicht unterschritten werden.infoDIREKT www.all-electronics.de507ei0612www.<strong>elektronik</strong>-<strong>industrie</strong>.de <strong>elektronik</strong> <strong>industrie</strong> 06 / 2012 73
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