Einführung in die Konzeption der Oszillatorschaltung

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Jauch Quartz GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

WDI AG

Der Rückkopplungswiderstand

Der Rückkopplungswiderstand Rf dient zur Linearisierung des digitalen CMOS-Inverters. Rf erreicht dies durch Laden der Eingangskapazität des Inverters, einschließlich C1 vom Inverterausgang. Mit anderen Worten: Der Rückkopplungswiderstand verwandelt ein Logic-Gate in einen Analogverstärker. Dies ist ein cleverer Trick, der einfach durch einen zusätzlichen Widerstand realisiert wird.

Im Allgemeinen ist der Rückkopplungswiderstand im Mikroprozessor oder ASIC enthalten. Mit dem folgenden Verfahren lässt sich feststellen, ob der Rückkopplungswiderstand im IC integriert ist:

• Ohne angeschlossene externe Komponenten (C1, C2 und X1) Spannung am Ein- und Ausgang des Inverters messen,
• bei eingebautem Rückkopplungswiderstand beträgt die Spannung an den Ein- und Ausgangspins etwa VCC/2.
• Ohne eingebauten Rückkopplungswiderstand geht der Inverter in „latched signal“, und es sind Ein- und Ausgang logisch „1“ und logisch „0“ oder umgekehrt.

Der verwendete Rf-Wert ist frequenzabhängig. Je niedriger die Frequenz, umso höher der benötigte Wert. Typische Bereichswerte sind in der Tabelle aufgeführt.

Der Rückkopplungswiderstand Rf lässt sich wie folgt optimieren: Wenn sich der Quarz und alle anderen Komponenten an Ort und Stelle befinden, ist der Wert von Rf zu ermitteln, bei dem das Ziehen der Frequenz beginnt. Dies geschieht durch Aufzeichnen der Frequenz gegenüber Rf. Der Wert für Rf muss dann oberhalb des Punktes gewählt werden, an dem beim Last-Beginn das Ziehen der Frequenz beginnt.

Der dem Inverterausgang vorgeschaltete Widerstand RS hat drei Hauptaufgaben:

• Isolieren des Inverter-Ausgangstreibers vom komplexen Scheinwiderstand, der aus C2, C1 und dem Quarz gebildet wird.
• Zusätzlicher Spielraum für den Entwickler zur Kontrolle des Drive Levels (ausgedrückt als Leistung/Spannung über dem oder Strom durch den Quarz ) bzw. die Einstellung der Verstärkung der Oszillatorschleife. RS muss mit „Tuning-Fork“-Stimmgabel-Quarzen ( Uhrenquarzen ) verwendet werden. Stimmgabelquarze haben maximale Ansteuerpegel von 1 µW. Ohne hohen RS (<10 kΩ) wird der Inverter den Quarz beschädigen .
• In Verbindung mit C2 bildet RS ein Verzögerungsnetzwerk – als zusätzliche Phasenverschiebung , die insbesondere bei niedrigen Frequenzen von 8 MHz oder darunter erforderlich ist. Diese zusätzliche Phasenverschiebung ist erforderlich, um Jitter im Zeitbereich oder Phasenrauschen im Frequenzbereich zu reduzieren. RS wird manchmal nicht benötigt (insbesondere bei Frequenzen über 20 MHz), da der Ausgangswiderstand des Inverters in Verbindung mit C2 eine ausreichende Phasenverzögerung bewirkt. Wenn er jedoch nicht für die Phasenverzögerung benötigt wird, kann er nach wie vor erforderlich sein, um das Drive Level am Quarz zu reduzieren.

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Schleifenverstärkung mit dem Inverter U1

Der Inverter U1 liefert die Schleifenverstärkung, die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen sowie für eine Phasenverschiebung um etwa –180° nötig ist. Ist der Inverter Bestandteil eines ASICs oder Mikroprozessors, so sollte der Hersteller die kritischen Quarzparameter, wie beispielsweise den maximalen ESR-Wert (Equivalent Series Resistance) vorgeben, die unter allen Umständen einwandfrei funktionieren. Wenn U1 nicht Bestandteil eines ASICs ist, muss der Entwickler einen Inverter mit den richtigen Verstärkungs- und Phaseneigenschaften für die Zielfrequenz oder den Zielfrequenzbereich sorgfältig auswählen.

Simulation ist hier ebenfalls sehr zu empfehlen, jedoch bei einem gut funktionierenden Schaltungsdesign nicht erforderlich. Nicht alle digitalen Inverter sind für Oszillatoranwendungen geeignet. Einige haben – gerade bei niedrigen Frequenzen – eine zu lange Verzögerungszeit. Andererseits wurde in der Vergangenheit ein ungepufferter Inverter für Oszillatoren benötigt. Dies ist heute nicht der Fall, da Verzögerungen im Lauf der Jahre für alle modernen Digitalinverter auf Grund der erforderlichen höheren Betriebsgeschwindigkeiten reduziert wurden.

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Der Quarz und die Kondensatoren C1 und C2

Wie oben aufgeführt, liefert der Quarz X1 in Verbindung mit C1, C2 und RS eine zusätzliche Phasenverzögerung von –180°, um das Barkhausen-Phasenverschiebungskriterium für die Aufrechterhaltung der Oszillation zu erfüllen. In den meisten Fällen ist C1 = C2. Bei Bedarf kann jedoch C2 durch einige Standardwerte auf einen höheren Wert als C1 gebracht und zur Einstellung der Mittenfrequenz bzw. Erhöhung der Schleifenverstärkung verwendet werden. Die Spannungsverstärkung wird in Abhängigkeit von C2/ C1 erhöht.

Der Quarz X1 in Bild 1 muss ein „Parallelmode-Grundwellen-Quarz“ sein. Im Pierce-Gate-Oszillator arbeitet der Quarz im Induktivitätsbereich seiner Reaktanzkurve. Ein Quarz, der in seinem Induktivitätsbereich arbeiten soll, wird als „Parallel-Quarz“ bezeichnet.

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