Quarzoszillator

Ein FPGA-Board, ein Ethernet-Switch, ein GPS-Empfänger: Hier liefert nicht ein Mikrocontroller mit zwei Lastkondensatoren den Takt, sondern ein kleines Metall- oder Keramikgehäuse mit vier Anschlüssen. Das ist ein Quarzoszillator – ein Schwingquarz zusammen mit der passenden Verstärkerschaltung und einem Ausgangstreiber in einem Bauteil. Du legst die Versorgungsspannung an und bekommst ein fertiges Rechtecksignal mit garantierter Frequenz. Kein Abstimmen der Lastkapazität, kein Bangen, ob der Oszillator anschwingt.

Aufbau und Funktionsweise

In einem Quarzoszillator sitzen der Quarz, ein Oszillator-IC mit Verstärker und die Lastkapazität, alles vom Hersteller aufeinander abgestimmt und geprüft. Der Ausgangstreiber formt aus der Schwingung ein sauberes Rechtecksignal mit CMOS-Pegeln, bei schnellen Typen auch differentielle Signale wie LVDS. Viele Oszillatoren haben einen Steuereingang: Mit OE (Output Enable) schaltet er nur den Ausgang ab, mit ST (Standby) legt er den ganzen Oszillator still und braucht dann fast keinen Strom.

Die Schwingung entsteht wie beim Quarz am Mikrocontroller: Ein Verstärker gleicht die Verluste des Quarzes aus, und die Rückkopplung über den Quarz lässt nur seine Resonanzfrequenz zu (siehe Schwingkreis und Thermoelektrik und Piezo-Effekt). Der Unterschied: Der Hersteller hat alles auf die angegebene Frequenz abgeglichen und garantiert die Stabilität über Temperatur, Versorgungsspannung, Last und Alterung.

Bauarten

Ein TCXO misst die Temperatur und korrigiert die Frequenz mit einer Kapazitätsdiode nach. Viele TCXOs geben statt eines Rechtecks einen abgeschnittenen Sinus (clipped sine) aus, der über einen Kondensator eingekoppelt werden muss. Ein OCXO hält den Quarz bei etwa 70 bis 85 °C, oberhalb jeder Umgebungstemperatur; er braucht beim Einschalten einige Minuten und dauerhaft ein bis mehrere Watt. MEMS-Oszillatoren von Herstellern wie SiTime ersetzen den Quarz durch einen winzigen Siliziumresonator und erzeugen die gewünschte Frequenz mit einer PLL. Sie sind sehr robust gegen Stoß und Vibration, ihr Takt hat aber oft etwas mehr Jitter.

Schaltzeichen und Anschlüsse

Für den Oszillator gibt es kein einheitliches Symbol. Üblich ist ein Rechteck mit dem Quarzsymbol oder einer Sinuswelle darin und den Anschlüssen VDD, GND, OUT und OE oder ST. Das Kurzzeichen ist X, Y oder U. Bei den verbreiteten vierpoligen SMD-Gehäusen ist die Belegung fast immer gleich: Pin 1 OE/ST, Pin 2 GND, Pin 3 OUT, Pin 4 VDD. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Weitere Werte im Datenblatt sind die Anschwingzeit (einige Millisekunden), die Anstiegszeit der Flanken (oft 1 bis 5 ns), die zulässige Lastkapazität am Ausgang (meist 15 pF) und der Jitter, die kurzzeitige Schwankung der Flankenzeitpunkte. Jitter ist für Datenwandler und schnelle serielle Schnittstellen wichtig, für einen Mikrocontroller kaum.

Typische Schaltung

Drei Dinge gehören zu jedem Oszillator:

1. Abblockkondensator: 100 nF direkt zwischen VDD und GND. Störungen auf der Versorgung modulieren die Frequenz und erhöhen den Jitter. Bei empfindlichen Anwendungen kommt eine Ferritperle oder ein kleiner Widerstand vor den Kondensator.
2. Steuerpin festlegen: Viele Typen haben einen internen Pull-up, aber nicht alle. Lege OE oder ST über eine Leitung auf einen definierten Pegel oder an einen GPIO.
3. Serienwiderstand am Ausgang: Die Flanken eines Oszillators sind schnell. Auf einer längeren Leiterbahn entstehen Reflexionen, die als Überschwinger oder Doppelflanken am Empfänger ankommen (siehe Reflexionen). Ein Widerstand direkt am Ausgang dämpft das.

Die Leitungsimpedanz deiner Leiterbahn bestimmst du mit dem Rechner Leitungsimpedanz.

Oszillator oder Quarz?

Ein Oszillator kostet mehr und braucht Strom, ein Quarz am Mikrocontroller ist billig und sparsam. Den Oszillator nimmst du, wenn

• der Empfänger keinen eigenen Oszillator hat, etwa ein FPGA, ein Ethernet-PHY oder ein Audio-Wandler,
• ein Takt mehrere Bausteine gleichzeitig versorgen soll,
• garantierte Stabilität ohne Abstimmung der Lastkapazität gefragt ist,
• du TCXO-Genauigkeit für Funk oder GNSS brauchst.

Für einen einzelnen Mikrocontroller genügt meist der Schwingquarz oder, wenn Genauigkeit im Promillebereich reicht, ein Keramikresonator.

Auswahl und Praxistipps

Bestimme zuerst die nötige Gesamtstabilität: USB Full Speed verlangt ±2500 ppm (0,25 %), USB High Speed ±500 ppm, Ethernet ±100 ppm, GNSS-Empfänger oft ±0,5 ppm. Prüfe dann Versorgungsspannung, Ausgangspegel, Stromaufnahme und Gehäuse.

Häufige Fehler:

• Toleranz statt Gesamtstabilität verglichen: Ein Quarz mit ±10 ppm Toleranz kann über Temperatur ±30 ppm abweichen. Bei Oszillatoren ist meist die Gesamtstabilität angegeben; vergleiche nur gleiche Größen.
• Steuerpin offen gelassen: Ohne internen Pull-up schwebt OE, und der Takt setzt sporadisch aus.
• Lange, unterminierte Taktleitung: Reflexionen erzeugen Doppelflanken, die ein FPGA als zusätzliche Takte zählt.
• Einen Ausgang an viele Empfänger: Jeder Eingang bringt Kapazität; über der zulässigen Last werden die Flanken langsam. Für mehrere Empfänger nimmst du einen Taktpuffer.
• TCXO mit Clipped-Sine-Ausgang direkt an einen CMOS-Eingang: Der Pegel reicht oft nicht. Koppel ihn über einen Kondensator ein, wie im Datenblatt des Empfängers beschrieben.

Selbsttest