Wie funktioniert ein TCXO?

Ein TCXO ist ein temperaturkompensierter Quarzoszillator, der immer dann zum Einsatz kommt, wenn eine besonders hohe Temperaturstabilität benötigt wird. Das bedeutet, dass die Frequenzabweichung des Oszillators über seinen gesamten Arbeitstemperaturbereich hinweg so gering wie möglich sein soll.

Von seinem grundlegenden Aufbau her ist ein TCXO einem „normalen“ Quarzoszillator (XO) ohne Temperaturkompensation sehr ähnlich. Beide Bauteile verwenden in der Regel im AT-Schnitt gefertigte Quarzscheiben, die sogenannten „Quarzblanks“. Deren Frequenzstabilität steht in Abhängigkeit zur Umgebungstemperatur und erreicht bei 25°C ihren optimalen Wert. Dieses Verhältnis zwischen Temperatur und Frequenzabweichung lässt sich mithilfe einer Polynomfunktion 3. Grades vereinfacht darstellen.

Die Grafik zeigt, wie extreme Temperaturbedingungen bei einem normalen Quarzoszillator zu deutlichen Frequenzabweichungen führen können. Je nach Temperatur und Bauteil liegen diese Abweichungen bei maximal ±100 ppm (parts per million). Das mag vielleicht hoch klingen, jedoch ist diese Frequenzstabilität für zahlreiche Applikationen bereits absolut ausreichend. In vielen Anwendungsfällen sind normale Quarzoszillatoren auch schlicht die wirtschaftlichste Lösung zur Erzeugung einer präzisen Referenzfrequenz.

Im Gegensatz dazu stellen insbesondere Anwendungen aus dem Wireless-Sektor deutlich höhere Anforderungen in puncto Frequenzstabilität. Die gängigen Funkstandards wie Bluetooth, ZigBee und Co. arbeiten allesamt mit äußerst geringen Hochfrequenz-Kanalbandbreiten. Unter diesen Bedingungen können selbst geringen Frequenzabweichungen Probleme verursachen. Frequenzstabilität ist hier das A und O – und zwar über die gesamte Betriebsdauer und den kompletten Arbeitstemperaturbereich hinweg. Genau hier kommen TCXOs zum Einsatz.

Aufbau und Funktionsweise eines TCXO

Mithilfe eines TCXO lässt sich die Frequenzabweichung über den gesamten Umgebungs- bzw. Arbeitstemperaturbereich von -40°C bis +85°C hinweg auf bis zu ±0,5 ppm begrenzen.

Wie genau dies gelingt, wird im Folgenden anhand des Blockschaltbilds eines TCXO erläutert. Wie in der untenstehenden Grafik zu sehen ist, besteht ein TCXO in der Regel aus fünf zentralen Schaltungsblöcken, die in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) realisiert sind.

1) Steuerspannungs-Generator

Der Generator für die Steuerspannung ist das Herzstück eines TCXO. Dieser Schaltungsteil verfügt über einen eingebauten Temperatursensor, der die Umgebungstemperatur (ΔT) misst. Anhand dieser Information wird in einem ersten Schritt mithilfe eines Vergleichers und einer vordefinierten Referenzspannung eine Temperaturspannung erzeugt (V_T). Diese wird in einem zweiten Schritt mithilfe eines Funktionsgenerators in eine spezifische Steuerspannung (V_C) übersetzt, wobei der Funktionsgenerator eine Polynomfunktion enthält.

Wie in der untenstehenden Grafik deutlich wird, zeigt die Steuerspannung (rote Kurve) die Form einer Polynomfunktion, die der in blau dargestellten Frequenz/Temperatur-Kurve der jeweiligen Quarzscheibe entgegenwirken soll. Die Steuerspannung kompensiert also die durch Veränderung der Umgebungstemperatur ausgelösten Frequenzschwankungen.

Die Abhängigkeit zwischen Umgebungstemperatur und Frequenzabweichung (blaue Kurve) unterscheidet sich von Quarzscheibe zu Quarzscheibe. Das bedeutet: Für jeden einzelnen TCXO müssen die Koeffizienten der Polynomfunktion zur Erzeugung der Steuerspannung (rote Kurve) individuell ermittelt werden. Dieses aufwändige Verfahren garantiert allerhöchste Präzision und ist der Grund für den im Vergleich zu normalen Quarzoszillatoren etwas höheren Preis. 

2. Korrekturschaltung

Dieser Schaltungsteil nutzt die erzeugte Steuerspannung (ΔV_C), um die durch Temperaturänderungen verursachte Frequenzabweichung des Oszillators zu korrigieren. Um zu verstehen, wie genau dies gelingt, lohnt sich ein Blick auf die folgende Gleichung:

\[ fosc=1/(2*pi*\sqrt(L*C)) \]

Demnach wird die Resonanzfrequenz (fosc) des Oszillators durch zwei äquivalente Variablen bestimmt: die äquivalente Induktivität (L) des Quarzes und die äquivalente Kapazität (C).

Die Induktivität (L) wird durch die natürlichen Eigenschaften des Quarzes definiert. Ihr Wert variiert mit der Umgebungstemperatur, kann jedoch nicht durch den Eingriff eines Ingenieurs beeinflusst werden. Demnach müssen Veränderungen der Induktivität (L) durch Anpassungen der Kapazität (C) kompensiert werden.

Diese Kompensation wird innerhalb des anwendungsspezifischen IC (ASIC) vorgenommen und gelingt mithilfe der Steuerspannung (V_C) sowie mehrerer Kapazitätsdioden. Bei den Letztgenannten handelt es sich um elektronische Halbleiter-Bauteile, die eine elektrische Steuerung der Kapazität ermöglichen. Durch sie wird, vereinfacht gesagt, die im ersten Schaltungsteil erzeugte Steuerspannung in eine entsprechende Veränderung der äquivalenten Kapazität (C) „übersetzt“.

Es lässt sich also festhalten: Steigt die Umgebungstemperatur über 25°C nimmt auch die äquivalente Induktivität (L) des Quarzes zu. Um eine stabile Frequenz zu garantieren, wird gleichzeitig die äquivalente Kapazität (C) um einen komplementären Betrag nach unten korrigiert. Dazu nutzen TCXOs mehrere Kapazitätsdioden sowie die entsprechende Steuerspannung (V_C), die im ersten Schaltungsteil erzeugt wird.    

3. Oszillatorschaltung

Zusätzlich zu diesen Temperaturkompensationsschaltungen verfügt ein TCXO natürlich auch über eine gewöhnliche Oszillatorschaltung, die auf die Erzeugung der gewünschten Frequenz hin optimiert ist.

4. Spannungsregler

Dieser Schaltungsblock ist eine Art Schutzmechanismus. Ziel ist es, die von außen an den TCXO angelegte Spannung zu stabilisieren, um Spannungsschwankungen innerhalb des TCXO zu verhindern, wie sie zum Beispiel durch Störungen auf der Betriebsspannung verursacht werden.

5. Ausgangspuffer

Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine Art von Schutzmechanismus. Der Ausgangspuffer entkoppelt den Quarzoszillator gegenüber externen Laständerungen. Dadurch hat eine Änderung der Ausgangslastkapazität keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Resonanzfrequenz.

Typische Anwendungsgebiete für TCXOs

Dank ihrer enormen Frequenzstabilität eignen sich TCXOs insbesondere für Anwendungen zur drahtlosen Datenübertragung, etwa aus dem Bereich der Telekommunikation. Auch im IoT-Sektor, in Navigationsanwendungen wie GPS und zahlreichen Konsumgütern sind diese Bauteile sehr gefragt.

Da jede Anwendung ihre eigenen spezifischen Anforderungen hat, bietet Jauch Quartz mit der JT-Serie eine breite Palette von TCXOs in verschiedenen Größen an. Dieses Portfolio wurde zuletzt durch die Einführung des neuen JT21G ergänzt, der speziell für den Einsatz in Navigationssystemen (GPS, GNSS etc.) konzipiert wurde.

Alle Komponenten der JT-Serie sind entweder mit einem HCMOS- oder einem Clipped-Sine-Ausgang ausgestattet und zeichnen sich durch zwei wichtige Kernmerkmale aus.

Hochwertige Quarzblanks

Gewöhnliche Quarzblanks können kleinere Defekte oder Verunreinigungen aufweisen, etwa einen unzureichend polierten Bereich auf der Quarzoberfläche. Geringfügige Unregelmäßigkeiten wie diese können dazu führen, dass die Frequenz des Quarzblanks in einem bestimmten Temperaturbereich nicht durch eine Polynomfunktion endlichen Grades beschrieben werden kann. Dementsprechend greift auch der Kompensationsmechanismus im besagten Temperaturbereich nicht, was zu einer deutlich höheren Frequenzabweichung führt. Man spricht in diesen Fällen von einer Störung der F/T-Kennlinie („Frequenzstörung“).

Die Abbildung zeigt die Temperaturcharakteristik eines TCXO unter Verwendung eines gewöhnlichen Quarzblanks mit einer unerwarteten Störung der F/T-Kennlinie bei 63°C. Nähert sich die Umgebungstemperatur diesem kritischen Punkt, hat dies einen plötzlichen Sprung der temperaturkompensierten Ausgangsfrequenz zur Folge, was sich wiederum negativ auf die Funktionsfähigkeit der Applikation auswirkt.

Aus diesem Grund verwendet Jauch ausschließlich hochwertige Quarzblanks, die keine unerwünschten Frequenzstörungen der F/T-Kennlinie aufweisen.

Mixed-Signal-ASIC erlaubt Anpassung in Echtzeit

Jauch-TCXOs werden von einem Mixed-Signal-ASIC gesteuert. So werden beispielsweise die Parameter der Polynomfunktion zur Erzeugung der Steuerspannung digital definiert und einprogrammiert. Der Kompensationsmechanismus selbst, also die Übersetzung der vom Temperatursensor gemessenen Umgebungstemperatur in eine entsprechende Steuerspannung, erfolgt rein analog und damit – im Gegensatz zur digitalen Alternative – ohne jede Verzögerung.

Es lässt sich also festhalten: Ein ausgeklügelter Temperaturkompensationsmechanismus und die Verwendung von hochwertigen Quarzscheiben sorgen für eine bemerkenswerte Frequenzstabilität und machen die TCXOs von Jauch zur idealen Lösung für vielfältige Anwendungen im Funk- und Telekommunikationsbereich sowie für anspruchsvolle Navigationssysteme.

Sie sind auf der Suche nach dem passenden TCXO für Ihre Anwendung oder benötigen Unterstützung beim Design-In? Dann schreiben Sie uns! Gemeinsam finden wir die für Sie optimale Lösung!

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