Alles über Schwingquarze: Quarz oder Oszillator?

Ein Quarz allein macht noch kein Signal. Wer ihn als verlässliche Zeitbasis einsetzen will, braucht eine passende Oszillatorschaltung. Diese kann man selber entwickeln oder gleich zusammen mit dem Schwingquarz als fertigen Oszillator kaufen. Das ist meist schneller und praktikabler als das Rad noch einmal neu zu erfinden.

Ein Quarzplättchen (Quarzblank) mit zwei Elektroden in einem versiegelten Gehäuse ist zunächst einmal ein passives Bauteil. Seine Funktion kann der Schwingquarz nur in Verbindung mit einer Oszillatorschaltung entfalten. In Kombination mit der Oszillatorschaltung schwingt der Quarz mit seiner Resonanzfrequenz und sorgt für ein sehr stabiles Taktsignal, das von der Quarzuhr über den GPS-Empfänger bis zu Radarsystem in unzähligen technischen Anwendungen erforderlich ist. 

Selbst ist der Entwickler? Meist nicht die beste Lösung

Zugegeben, die Oszillatorschaltung kann in ihrer „Komplexität“ durchaus als Einsteigerprojekt für die Neigungsgruppe Physik an der Mittelstufe herhalten – wahrlich keine Rocket Science, mag so mancher einwenden. Doch der Teufel steckt auch hier im Detail. Wer die vorangegangenen Folgen dieses Blogs sorgfältig gelesen hat, weiß, dass die Dimensionierung im konkreten Fall eben doch alles andere als trivial ist. Da müssen Lastkapazitäten richtig ausgelegt, der äquivalente Serienwiderstand (ESR) berücksichtigt und das Drive Level beachtet werden, sonst reagiert die Schaltung schnell „verstimmt“ – und macht nicht, was sie soll.

Besonders knifflig wird’s zum Beispiel, wenn vergleichsweise tiefe Frequenzen in kleinerer Bauform benötigt werden (kleiner als 3,2 x 2,5 mm2). Die Frequenz des Quarzes hängt von der Dicke des Quarzblanks ab. Dabei gilt: Je dicker der Quarzblank, desto tiefer die Frequenz. In stark miniaturisierter Bauform sind deshalb Quarze mit tiefen Frequenzen (1 MHz bis 12 MHz) physikalisch nicht realisierbar, da der dickere Blank nicht mehr ins Gehäuse passt. Bei Oszillatoren gibt es diese Einschränkung nicht, da der enthaltene IC, der die Oszillatorschaltung bereitstellt, gleichzeitig auch einen Frequenzteiler umfasst. Damit sind auch tiefe Frequenzen in keinen Bauformen möglich. 

Ähnlich sieht es bei Frequenzen über 50 MHz aus. Bei Quarzen muss ein Oberton-Quarz eingesetzt werden, da der Blank bei den hohen Frequenzen im Grundton ansonsten zu dünn wäre und brechen kann. Bei einem Oberton-Quarz muss der Grundton des Quarzes mit einer eigenen Filterschaltung unterdrückt werden. Da kommt schnell einiges an Entwicklungs- und Versuchsaufwand zusammen – nur um Probleme zu lösen, die viele andere zuvor genauso hatten.

All-inclusive-Oszillator – kompakter, einfacher funktionssicherer

Das Quarzblank mit Elektroden zusammen mit einem Schwingkreis-IC gibt es längst fix und fertig in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse zu kaufen, passend für alle gängigen Applikationen. Hier erhält man gleich eine optimal abgestimmte und einbaufertige Komplettlösung – einfach Stromversorgung anschließen, Signal abgreifen, fertig. Das kompakte Rundum-Sorglos-Bauteil ist zwar ein wenig teurer als die Do-it-yourself-Variante, beansprucht aber weniger Platz und senkt den Aufwand bei der Entwicklung und später bei der Bestückung. Die Oszillatoren können bei Bedarf noch weiter optimiert werden, zum Beispiel mit einer Temperaturkompensation.

Integrierte Oszillatoren sind heute für sehr tiefe Frequenzen in erfreulich platzsparender Bauform verfügbar. Und auch für sehr hohe Frequenzen gibt es passende Lösungen: Würth Elektronik hat Oszillatoren mit bis zu 125-MHz-CMOS- und 156,25-MHz-LVDS- oder LVPECL-Ausgangssignal im Regal – was durchaus wörtlich zu verstehen ist, denn bei uns sind alle Komponenten direkt auf Lager.

Eigenentwicklung oder fertiger Oszillator – wenn man sich noch nicht so ganz sicher ist: Probieren geht im Zweifelsfall über studieren. Würth Elektronik stellt auch bei seinen integrierten Oszillatoren gerne kostenlose Labormuster zur Verfügung.