Was Ist Ein Kristall-Oszillatoren?
Kristall-Oszillatoren sind Geräte, die einen Schwingkreis in die mechanische Resonanz einer Quarzkristalleinheit (Quarz) einbauen und das piezoelektrische Phänomen des Quarzes nutzen, um eine konstante Frequenz zu erzeugen.
Andere Schwingkreise als Quarz sind die LC-Schwingung, die CR-Schwingung und die Schwingung mit keramischen Elementen. Die Kristalloszillation ist insofern überlegen, als sie eine hohe Genauigkeit in der Größenordnung von ppm erreichen kann (eine strenge Qualitätskontrolle ist möglich, wobei nicht mehr als ein Fehler pro Million Stück zulässig ist), während andere Oszillationsarten auf Schaltungen beschränkt sind, die eine Genauigkeit von % tolerieren können.
Der Grund, warum Quarz als elektronisches Schaltungselement verwendet werden kann, liegt in seinem piezoelektrischen Effekt. Quarz wird bereits seit dem 19. Jahrhundert als Element verwendet, lange vor der Erfindung von Transistoren und ICs.
Verwendungen von Kristall-Oszillatoren
Kristall-Oszillatoren, die auf der Vibration von Quarz basieren, wurden als Frequenzsignalquelle in Telekommunikationsgeräten, als Zeitgeber in Uhren (Quarz) und als Farbburstsignalquelle im Fernsehen verwendet. In den letzten Jahren werden sie in großer Zahl als Festfrequenz-Taktquellen in digitalen Schaltungen eingesetzt.
Taktreferenzsignale sind für ICs und LSIs (integrierte Schaltungen, die mehr hochintegrierte und komplexe Schaltungen als ICs enthalten) unerlässlich, und Kristall-Oszillatoren bieten die für die Takterzeugung erforderliche hohe Frequenzstabilität, Unveränderlichkeit und Kompaktheit.
Aus diesem Grund werden Kristall-Oszillatoren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, nicht nur in herkömmlichen Telekommunikationsgeräten, Fernsehgeräten und Uhren, sondern auch in der Satellitenkommunikation, in Automobilen, Personalcomputern, DVD-Geräten und anderen Informationsgeräten.
Das Prinzip von Kristall-Oszillatoren
Ein Kristall-Oszillator ist ein Gerät, das einen Resonator, einen so genannten Kristall-Oszillatoren (Quarz), als Referenzresonanz verwendet und mit Hilfe eines Schwingkreises ein Signal erzeugt, das als Referenzfrequenz dient. Quarzkristalleinheiten nutzen das piezoelektrische Phänomen des Quarzes, aber eine Quarzkristalleinheit allein kann die erforderliche Amplitude der Resonanzfrequenz nicht aufrechterhalten.
In einem Kristall-Oszillatoren-Oszillator wird daher ein zusätzlicher interner Schwingkreis eingebaut, und die Resonanzfrequenz des Resonators wird zur Steuerung der Intensität und Frequenz des Referenzfrequenzsignals verwendet. Dies ist das Funktionsprinzip von Kristall-Oszillatoren. Quarz wird aus Quarz (Sio2: Siliziumdioxid) hergestellt, aber das in Kristall-Oszillatoren verwendete Material ist künstlicher Quarz. Der künstliche Quarzkristall wird aus einem natürlichen Kristall namens Raska hergestellt.
Raska wird in einen mit einer alkalischen Lösung gefüllten Ofen (Autoklav) gegeben und bei hohen Temperaturen und hohem Druck geschmolzen. Durch die kontrollierten Temperaturen entstehen natürliche Konvektionsströme, die große, hochreine, rekristallisierte Kunstkristalle erzeugen. Diese werden dann in dünne Scheiben geschnitten und zu Kristall-Oszillatoren verarbeitet.
Weitere Informationen über Kristall-Oszillatoren
1. Schwingungsmoden von Quarzkristall-Oszillatoren
Je nach dem Winkel, in dem der Kristall im Verhältnis zur Kristallachse geschnitten wird, variieren die Temperatureigenschaften der Frequenz, der Schwingungsmode usw. Am häufigsten ist das MHz-Band, von dem der “AT-cut”-Kristall einen großen Temperaturbereich und eine geringe Abweichung aufweist.
Wenn der Kristall beispielsweise in einer Armbanduhr verwendet wird, wird er bei einer Temperatur nahe der Körpertemperatur oder der Raumtemperatur geschnitten.
Der Schwingungsmodus bezieht sich auf die Form der mechanischen Schwingung des Kristalls, die auch als AT-Schliff “Dicken-Schlupf-Schwingung” bezeichnet wird und der Schwingung von Tofu auf einem Schneidebrett ähnelt, wenn es geschüttelt wird. Die Schwingungsfrequenz wird also durch die Dicke des Ausschnitts bestimmt.
2. Genauigkeit von Kristall-Oszillatoren
Die Genauigkeit eines normalen Kristall-Oszillators liegt bei etwa 1/10.000 bis 1/100.000. Im Vergleich zu anderen Oszillatoren ist diese Genauigkeit etwa 1.000-mal höher als die von Silizium-Oszillatoren und etwa 100-mal höher als die von Keramik-Oszillatoren, die genauer sind als Silizium- und Keramik-Oszillatoren, aber nicht so genau wie die in Atomuhren verwendeten Cäsium-Oszillatoren.
Kristall-Oszillatoren sind auch mit höherer Genauigkeit erhältlich und gehören zum Typ der temperaturgarantierten Kristall-Oszillatoren (TCXO). Diese Art von Produkten enthält eine Schaltung, die als temperaturgarantierte Schaltung bezeichnet wird. Die Temperaturgarantieschaltung hebt die Temperatureigenschaften der Kristalleinheit auf und gewährleistet durch den Einbau dieser Schaltung eine stabile Leistung über einen größeren Temperaturbereich.
3. Funktionsweise einer Kristall-Oszillatoren-Uhr
Eine Quarzoszillator-Uhr oder Quarzuhr funktioniert als Uhr, indem sie die von einem Kristall-Oszillatoren erzeugten hochpräzisen Schwingungen mit Hilfe eines ICs, das die Frequenz teilt, in Frequenzen im Sekundentakt umwandelt. Analoge Uhren (mit Zeigern) verwenden diese Frequenz in Sekundenschritten, um einen Schrittmotor anzutreiben, der den Sekunden-, Minuten- und Stundenzeiger bewegt. Digitaluhren wiederum nutzen die von einem Kristall-Oszillatoren erzeugte Frequenz in Sekundenschritten, um die Flüssigkristallanzeige zu steuern und die Ziffern darzustellen.
Der Vorteil von Quarzuhren gegenüber mechanischen Uhren liegt nicht nur in ihrer höheren Ganggenauigkeit. Die Tatsache, dass sie mit Batterien betrieben werden können, bedeutet, dass sie lange Zeit ohne Wartung laufen können. Und selbst wenn die Batterie leer ist, kann sie ausgetauscht werden, und die Uhr läuft mit der gleichen Präzision weiter wie zuvor.
Auf dem Markt sind auch Quarzuhren, die ohne Batteriewechsel auskommen, wie z. B. solar- oder generatorbetriebene Uhren, die über einen längeren Zeitraum weiterlaufen können.
4. Vergleich mit MEMS-Oszillatoren
Die Geschichte der Kristall-Oszillatoren verbreitete sich rasch, nachdem japanische Uhrenhersteller in den 1950er Jahren Quarzuhren entwickelt hatten, und heute sind sie in Telekommunikationsgeräten, Fernseh- und Informationsgeräten weit verbreitet. In letzter Zeit haben jedoch die so genannten MEMS-Oszillatoren (mikroelektromechanische Systeme) aufgrund ihrer Miniaturisierung, ihres Preises und ihrer Leistung an Aufmerksamkeit gewonnen.
MEMS-Oszillatoren verwenden ein Herstellungsverfahren, das auf dem Halbleiterherstellungsprozess basiert, wodurch sie leicht in elektronische Schaltungen integriert werden können und sich für eine Miniaturisierung eignen. Es gibt auch Produkte auf dem Markt, die in Bezug auf ihre Eigenschaften, wie z. B. die einfache Frequenzeinstellung und den Stromverbrauch, Vorteile aufweisen, und es besteht die Möglichkeit, dass sie durch künftige Verbesserungen die Kristall-Oszillatoren in Bezug auf ihren Marktanteil überholen werden.
5. Anstrengungen zur Erreichung höherer Frequenzen
Mit der jüngsten Ausweitung des Volumens der Informationskommunikation steigen die von den Informations- und Kommunikationsgeräten zu verarbeitenden Frequenzen mit der Generation der Kommunikation, da eine größere Modulationsbandbreite für die Kommunikation und schnellere Taktfrequenzen zu verarbeiten sind. Daher besteht natürlich ein Bedarf an Kristall-Oszillatoren für die Erzeugung von Referenzfrequenzen zur Unterstützung höherer Frequenzen.
Mit Fortschritten in der analogen Schaltungstechnik wie PLLs ist es möglich, die Frequenz schaltungsseitig bis zu einem gewissen Grad anzuheben. Um die Oszillationsfrequenz der Referenz-Kristall-Oszillatoren zu erhöhen, wurden daher Produkte mit einer hohen Frequenz von 100 MHz auf den Markt gebracht, indem die Quarzeinheit selbst und die Oszillationsschaltung verbessert wurden, um hohe Frequenzen zu unterstützen.