![\"Frequenz\/Temperatur-Kurve](\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/08\/Fig1_F_T_Kurve.png\")
Die Grafik zeigt, wie extreme Temperaturbedingungen bei\neinem normalen Quarzoszillator zu deutlichen Frequenzabweichungen f\u00fchren\nk\u00f6nnen. Je nach Temperatur und Bauteil liegen diese Abweichungen bei maximal \u00b1100 ppm (parts per million). Das mag\nvielleicht hoch klingen, jedoch ist diese Frequenzstabilit\u00e4t f\u00fcr zahlreiche\nApplikationen bereits absolut ausreichend. In vielen Anwendungsf\u00e4llen sind\nnormale Quarzoszillatoren auch schlicht die wirtschaftlichste L\u00f6sung zur\nErzeugung einer pr\u00e4zisen Referenzfrequenz.<\/p>\n\n\n\n
Im Gegensatz dazu stellen insbesondere Anwendungen aus dem\nWireless-Sektor deutlich h\u00f6here Anforderungen in puncto Frequenzstabilit\u00e4t. Die\ng\u00e4ngigen Funkstandards wie Bluetooth, ZigBee und Co. arbeiten allesamt mit\n\u00e4u\u00dferst geringen Hochfrequenz-Kanalbandbreiten. Unter diesen Bedingungen k\u00f6nnen\nselbst geringen Frequenzabweichungen Probleme verursachen. Frequenzstabilit\u00e4t\nist hier das A und O \u2013 und zwar \u00fcber die gesamte Betriebsdauer und den\nkompletten Arbeitstemperaturbereich hinweg. Genau hier kommen TCXOs zum\nEinsatz. <\/p>\n\n\n\n
Aufbau und Funktionsweise eines TCXO<\/h2>\n\n\n\n
Mithilfe eines TCXO l\u00e4sst sich die Frequenzabweichung \u00fcber\nden gesamten Umgebungs- bzw. Arbeitstemperaturbereich von -40\u00b0C bis +85\u00b0C\nhinweg auf bis zu \u00b10,5 ppm begrenzen. <\/p>\n\n\n\n
Wie genau dies gelingt, wird im Folgenden anhand des Blockschaltbilds eines TCXO erl\u00e4utert. Wie in der untenstehenden Grafik zu sehen ist, besteht ein TCXO in der Regel aus f\u00fcnf zentralen Schaltungsbl\u00f6cken, die in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) realisiert sind.<\/p>\n\n\n\n Der Generator f\u00fcr die Steuerspannung ist das Herzst\u00fcck eines\nTCXO. Dieser Schaltungsteil verf\u00fcgt \u00fcber einen eingebauten Temperatursensor,\nder die Umgebungstemperatur (\u0394T) misst. Anhand dieser Information wird in einem\nersten Schritt mithilfe eines Vergleichers und einer vordefinierten\nReferenzspannung eine Temperaturspannung erzeugt (V_T). Diese wird in einem\nzweiten Schritt mithilfe eines Funktionsgenerators in eine spezifische Steuerspannung\n(V_C) \u00fcbersetzt, wobei der Funktionsgenerator eine Polynomfunktion enth\u00e4lt. <\/p>\n\n\n\n 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 Ver\u00e4nderung der Umgebungstemperatur ausgel\u00f6sten Frequenzschwankungen.<\/p>\n\n\n\n Die Abh\u00e4ngigkeit zwischen Umgebungstemperatur und\nFrequenzabweichung (blaue Kurve) unterscheidet sich von Quarzscheibe zu\nQuarzscheibe. Das bedeutet: F\u00fcr jeden einzelnen TCXO m\u00fcssen die Koeffizienten\nder Polynomfunktion zur Erzeugung der Steuerspannung (rote Kurve) individuell ermittelt\nwerden. Dieses aufw\u00e4ndige Verfahren garantiert allerh\u00f6chste Pr\u00e4zision und ist\nder Grund f\u00fcr den im Vergleich zu normalen Quarzoszillatoren etwas h\u00f6heren\nPreis. <\/p>\n\n\n\n Dieser Schaltungsteil nutzt die erzeugte Steuerspannung (\u0394V_C), um die durch Temperatur\u00e4nderungen verursachte Frequenzabweichung des Oszillators zu korrigieren. Um zu verstehen, wie genau dies gelingt, lohnt sich ein Blick auf die folgende Gleichung: <\/p>\n\n\n\\[ fosc=1\/(2*pi*\\sqrt(L*C)) \\]\n\n\n\n Demnach wird die Resonanzfrequenz (fosc) des Oszillators\ndurch zwei \u00e4quivalente Variablen bestimmt: die \u00e4quivalente Induktivit\u00e4t (L) des\nQuarzes und die \u00e4quivalente Kapazit\u00e4t (C). <\/p>\n\n\n\n Die Induktivit\u00e4t (L) wird durch die nat\u00fcrlichen\nEigenschaften des Quarzes definiert. Ihr Wert variiert mit der\nUmgebungstemperatur, kann jedoch nicht durch den Eingriff eines Ingenieurs beeinflusst\nwerden. Demnach m\u00fcssen Ver\u00e4nderungen der Induktivit\u00e4t (L) durch Anpassungen der\nKapazit\u00e4t (C) kompensiert werden. <\/p>\n\n\n\n Diese Kompensation wird innerhalb des anwendungsspezifischen IC (ASIC) vorgenommen und gelingt mithilfe der Steuerspannung (V_C) sowie mehrerer Kapazit\u00e4tsdioden. Bei den Letztgenannten handelt es sich um elektronische Halbleiter-Bauteile, die eine elektrische Steuerung der Kapazit\u00e4t erm\u00f6glichen. Durch sie wird, vereinfacht gesagt, die im ersten Schaltungsteil erzeugte Steuerspannung in eine entsprechende Ver\u00e4nderung der \u00e4quivalenten Kapazit\u00e4t (C) \u201e\u00fcbersetzt\u201c. <\/p>\n\n\n\n Es l\u00e4sst sich also festhalten: Steigt die\nUmgebungstemperatur \u00fcber 25\u00b0C nimmt auch die \u00e4quivalente Induktivit\u00e4t (L) des\nQuarzes zu. Um eine stabile Frequenz zu garantieren, wird gleichzeitig die\n\u00e4quivalente Kapazit\u00e4t (C) um einen komplement\u00e4ren Betrag nach unten korrigiert.\nDazu nutzen TCXOs mehrere Kapazit\u00e4tsdioden sowie die entsprechende\nSteuerspannung (V_C), die im ersten Schaltungsteil erzeugt wird. <\/p>\n\n\n\n Zus\u00e4tzlich zu diesen Temperaturkompensationsschaltungen\nverf\u00fcgt ein TCXO nat\u00fcrlich auch \u00fcber eine gew\u00f6hnliche Oszillatorschaltung, die\nauf die Erzeugung der gew\u00fcnschten Frequenz hin optimiert ist.<\/p>\n\n\n\n Dieser Schaltungsblock ist eine Art Schutzmechanismus. Ziel\nist es, die von au\u00dfen an den TCXO angelegte Spannung zu stabilisieren, um\nSpannungsschwankungen innerhalb des TCXO zu verhindern, wie sie zum Beispiel\ndurch St\u00f6rungen auf der Betriebsspannung verursacht werden.<\/p>\n\n\n\n Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine Art von Schutzmechanismus.\nDer Ausgangspuffer entkoppelt den Quarzoszillator gegen\u00fcber externen\nLast\u00e4nderungen. Dadurch hat eine \u00c4nderung der Ausgangslastkapazit\u00e4t keinen\nEinfluss auf die Genauigkeit der Resonanzfrequenz.<\/p>\n\n\n\n Dank ihrer enormen Frequenzstabilit\u00e4t eignen sich TCXOs insbesondere\nf\u00fcr Anwendungen zur drahtlosen Daten\u00fcbertragung, etwa aus dem Bereich der\nTelekommunikation. Auch im IoT-Sektor, in Navigationsanwendungen wie GPS und\nzahlreichen Konsumg\u00fctern sind diese Bauteile sehr gefragt.<\/p>\n\n\n\n Da jede Anwendung ihre eigenen spezifischen Anforderungen hat, bietet Jauch Quartz mit der JT-Serie <\/a>eine breite Palette von TCXOs in verschiedenen Gr\u00f6\u00dfen an. Dieses Portfolio wurde zuletzt durch die Einf\u00fchrung des neuen JT21G erg\u00e4nzt<\/a>, der speziell f\u00fcr den Einsatz in Navigationssystemen (GPS, GNSS etc.) konzipiert wurde. <\/p>\n\n\n\n Alle Komponenten der JT-Serie sind entweder mit einem HCMOS-\noder einem Clipped-Sine-Ausgang ausgestattet und zeichnen sich durch zwei\nwichtige Kernmerkmale aus.<\/p>\n\n\n\n Gew\u00f6hnliche Quarzblanks k\u00f6nnen kleinere Defekte oder Verunreinigungen aufweisen, etwa einen unzureichend polierten Bereich auf der Quarzoberfl\u00e4che. Geringf\u00fcgige Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten wie diese k\u00f6nnen dazu f\u00fchren, 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 h\u00f6heren Frequenzabweichung f\u00fchrt. Man spricht in diesen F\u00e4llen von einer St\u00f6rung der F\/T-Kennlinie (\u201eFrequenzst\u00f6rung\u201c).<\/p>\n\n\n\n Die Abbildung zeigt die Temperaturcharakteristik eines TCXO\nunter Verwendung eines gew\u00f6hnlichen Quarzblanks mit einer unerwarteten St\u00f6rung der\nF\/T-Kennlinie bei 63\u00b0C. N\u00e4hert sich die Umgebungstemperatur diesem kritischen\nPunkt, hat dies einen pl\u00f6tzlichen Sprung der temperaturkompensierten Ausgangsfrequenz\nzur Folge, was sich wiederum negativ auf die Funktionsf\u00e4higkeit der Applikation\nauswirkt. <\/p>\n\n\n\n Aus diesem Grund verwendet Jauch ausschlie\u00dflich hochwertige\nQuarzblanks, die keine unerw\u00fcnschten Frequenzst\u00f6rungen der F\/T-Kennlinie aufweisen.<\/p>\n\n\n\n Jauch-TCXOs werden von einem Mixed-Signal-ASIC gesteuert. So\nwerden beispielsweise die Parameter der Polynomfunktion zur Erzeugung der\nSteuerspannung digital definiert und einprogrammiert. Der\nKompensationsmechanismus selbst, also die \u00dcbersetzung der vom Temperatursensor\ngemessenen Umgebungstemperatur in eine entsprechende Steuerspannung, erfolgt rein\nanalog und damit \u2013 im Gegensatz zur digitalen Alternative \u2013 ohne jede\nVerz\u00f6gerung.<\/p>\n\n\n\n Es l\u00e4sst sich also festhalten: Ein ausgekl\u00fcgelter Temperaturkompensationsmechanismus und die Verwendung von hochwertigen Quarzscheiben sorgen f\u00fcr eine bemerkenswerte Frequenzstabilit\u00e4t und machen die TCXOs von Jauch zur idealen L\u00f6sung f\u00fcr vielf\u00e4ltige Anwendungen im Funk- und Telekommunikationsbereich sowie f\u00fcr anspruchsvolle Navigationssysteme.<\/p>\n\n\n\n Sie sind auf der Suche nach dem passenden TCXO f\u00fcr Ihre Anwendung oder ben\u00f6tigen Unterst\u00fctzung beim Design-In? Dann schreiben Sie uns! Gemeinsam finden wir die f\u00fcr Sie optimale L\u00f6sung!<\/p>\n\n\n\n![\"Grundaufbau](\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/08\/Ting_Hao_TCXO_architecture-1024x389.png\")
1) Steuerspannungs-Generator<\/h3>\n\n\n\n
![\"Fig.](\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/08\/Fig3_Steuerspannung.png\")
2. Korrekturschaltung <\/h3>\n\n\n\n
3. Oszillatorschaltung<\/h3>\n\n\n\n
4. Spannungsregler<\/h3>\n\n\n\n
5. Ausgangspuffer<\/h3>\n\n\n\n
Typische Anwendungsgebiete f\u00fcr TCXOs<\/h2>\n\n\n\n
Hochwertige Quarzblanks<\/h3>\n\n\n\n
![\"TCXO](\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/08\/Fig4_perturbation-1024x307.png\")
![\"TCXO](\"https:\/\/www.jauch.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2020\/08\/Fig5_no_perturbation-1024x302.png\")
Mixed-Signal-ASIC erlaubt Anpassung in Echtzeit<\/h3>\n\n\n\n