Kristall-Oszillator: Schaltkreis, Frequenz und Arbeitsprinzip

Quarzoszillatoren arbeiten nach dem Prinzip des inversen piezoelektrischen Effekts, bei dem eine Wechselspannung, die an den Oberflächen des Quarzes angelegt wird, diesen zu seiner natürlichen Frequenz schwingt. Es sind diese Schwingungen, die letztendlich in Oszillationen umgewandelt werden.

Diese Oszillatoren werden in der Regel aus Quarz hergestellt, obwohl andere Substanzen wie Rochelle-Salz und Turmalin ebenfalls den piezoelektrischen Effekt aufweisen. Quarz ist jedoch im Vergleich zu anderen Materialien preiswert, natürlich verfügbar und mechanisch widerstandsfähig.

Bei Quarzoszillatoren wird der Quarz passend zugeschnitten und zwischen zwei metallischen Platten montiert, wie in Abbildung 1a dargestellt, deren elektrisches Äquivalent in Abbildung 1b gezeigt wird. In Wirklichkeit verhält sich der Quarz wie ein serieller RLC-Kreis, der durch die Komponenten gebildet wird

1. Ein niedrigwertiger Widerstand RS

2. Ein hochwertiger Spule LS

3. Ein niedrigwertiger Kondensator CS

die parallel zur Kapazität ihrer Elektroden Cp liegen.

Aufgrund der Anwesenheit von Cp wird der Quarz bei zwei verschiedenen Frequenzen resonnieren, nämlich

1. Serienresonanzfrequenz, fs die auftritt, wenn die Serienkapazität CS mit der Serienspule LS resonnieren. In diesem Stadium ist der Quarzwiderstand am geringsten und daher die Rückkopplung am größten. Die mathematische Ausdrucksweise dafür lautet
   

2. Parallelresonanzfrequenz, fp die auftritt, wenn die Reaktanz des LSCS gleich der Reaktanz des parallelgeschalteten Kondensators Cp ist, also LS und CS mit Cp resonnieren. In diesem Moment ist der Quarzwiderstand am höchsten und die Rückkopplung am geringsten. Mathematisch kann dies als
   

Das Verhalten des Kondensators wird sowohl unterhalb von fS als auch oberhalb von fp kapazitiv sein. Für Frequenzen, die zwischen fS und fp liegen, wird das Verhalten des Quarzes induktiv sein. Wenn die Frequenz gleich der parallelen Resonanzfrequenz fp wird, dann bildet die Wechselwirkung zwischen LS und Cp einen parallelen LC-Tankkreis. Daher kann ein Quarz als Kombination aus seriell und parallel gestimmten Resonanzkreisen angesehen werden, wodurch man den Kreis für eine dieser beiden Resonanzen abstimmen muss. Darüber hinaus ist zu beachten, dass fp höher als fs sein wird und die Nähe zwischen den beiden durch den Schnitt und die Abmessungen des verwendeten Quarzes bestimmt wird.

Quarzoszillatoren können so konstruiert werden, dass der Quarz in den Kreis eingebunden wird, sodass er bei Betrieb im Serienresonanzmodus (Abbildung 2a) einen geringen Widerstand bietet und bei Betrieb im Antiresonanz- oder Parallelresonanzmodus (Abbildung 2b) einen hohen Widerstand bietet.

In den dargestellten Schaltungen bilden die Widerstände R1 und R2 das Spannungsteiler-Netzwerk, während der Emitterwiderstand RE die Schaltung stabilisiert. Darüber hinaus wirkt CE (Abbildung 2a) als AC-Bypasskondensator, während der Kopplungskondensator CC (Abbildung 2a) verwendet wird, um die DC-Signalverbreitung zwischen den Kollektor- und Basisterminals zu blockieren.

Als Nächstes bilden die Kondensatoren C1 und C2 das kapazitive Spannungsteilernetzwerk im Fall von Abbildung 2b. Darüber hinaus gibt es in den Schaltungen (sowohl in Abbildung 2a als auch 2b) auch eine Hochfrequenzspule (RFC), die den Vorteil bietet, sowohl die DC-Vorspannung zu liefern als auch die Schaltungs-Ausgabe vor dem Einfluss von AC-Signalen auf den Stromleitungen zu schützen.

Beim Einschalten der Spannungsversorgung des Oszillators nimmt die Amplitude der Schwingungen im Kreis zu, bis ein Punkt erreicht wird, an dem die Nichtlinearitäten im Verstärker den Schleifenverstärkungsfaktor auf eins reduzieren.

Im stationären Zustand beeinflusst der Quarz im Rückkopplungskreis stark die Frequenz des Arbeitskreises. Hierbei wird die Frequenz so selbstständig angepasst, dass der Quarz dem Kreis eine Reaktanz präsentiert, die die Barkhausen-Phasenbedingung erfüllt.

Allgemein beträgt die Frequenz der Quarzoszillatoren die Grund- oder charakteristische Frequenz des Quarzes, die durch die physische Größe und Form des Quarzes bestimmt wird.

Wenn der Quarz jedoch nicht parallel oder von ungleichmäßiger Dicke ist, kann er bei mehreren Frequenzen resonnieren, was zu Obertönen führt.

Darüber hinaus können Quarzoszillatoren auf geraden oder ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz abgestimmt werden, die als Harmonische und Overtone-Oszillatoren bezeichnet werden.

Ein Beispiel dafür ist der Fall, in dem die parallele Resonanzfrequenz des Quarzes durch Hinzufügen eines Kondensators verringert oder durch Hinzufügen eines Spulens über den Quarz erhöht wird.

Der typische Arbeitsbereich der Quarzoszillatoren liegt zwischen 40 kHz und 100 MHz, wobei die Niederfrequenzoszillatoren mit OpAmps und die Hochfrequenzoszillatoren mit Transistoren (BJTs oder FETs) entworfen werden.

Die Frequenz der vom Kreis erzeugten Schwingungen wird durch die serienresonante Frequenz des Quarzes bestimmt und bleibt unbeeinflusst von Schwankungen der Versorgungsspannung, Transistorparameter usw. Daher weisen Quarzoszillatoren einen hohen Q-Faktor mit ausgezeichneter Frequenzstabilität auf, was sie für Hochfrequenzanwendungen besonders geeignet macht.

Es sollte jedoch darauf geachtet werden, den Quarz nur mit optimaler Leistung anzutreiben. Dies liegt daran, dass, wenn zu viel Leistung an den Quarz geliefert wird, parasitäre Resonanzen im Quarz angeregt werden können, was zu einer instabilen Resonanzfrequenz führt.

Darüber hinaus kann seine Ausgangswellenform aufgrund der Verschlechterung der Phasenrauscharbeitung verzerrt werden. Darüber hinaus kann dies sogar zur Zerstörung des Geräts (Quarz) aufgrund von Überhitzung führen.

Quarzoszillatoren sind kompakt und preiswert, weshalb sie in elektronischen Kampfsystemen, Kommunikationssystemen, Führungs- und Steuerungssystemen, Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, Raumfahrtsystemen, Meßinstrumenten, medizinischen Geräten, Computern, digitalen Systemen, Instrumentierung, Phasenregelsystemen, Modems, Sensoren, Festplattensystemen, Marinetech, Telekommunikation, Motormanagementsystemen, Uhren, Global Positioning Systems (GPS), Kabelfernsehsystemen, Videokameras, Spielzeug, Videospielen, Funkgeräten, Mobiltelefonen, Zeitnehmern usw. weit verbreitet eingesetzt werden.

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