Was ist ein Oszillator? Alles, was Sie wissen müssen

Nahezu jede in jüngerer Vergangenheit hergestellte gedruckte Schaltkarte verfügt über einen Oszillator irgendeiner Form, und die meisten integrierten Schaltkreise enthalten ebenfalls Oszillatoren. Sie fragen sich vielleicht, was genau ist ein Oszillator? Oszillatoren sind wesentliche Bauteile, die ein periodisches elektronisches Signal erzeugen, typischerweise eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle. Oszillatoren wandeln DC-Signale in periodische AC-Signale um, die zur Festlegung der Frequenz verwendet werden können, für Audioanwendungen genutzt werden oder als Taktgeber dienen. Alle Mikrocontroller und Mikroprozessoren benötigen einen Oszillator, um das Taktsignal einzustellen, damit sie funktionieren können. Einige Geräte haben sie eingebaut, und einige benötigen einen externen Oszillator - oder beides, indem sie einen internen Oszillator mit geringer Genauigkeit besitzen, mit der Option, ein externes Signal bereitzustellen.

Elektronische Geräte verwenden das Taktsignal als Referenz für die Zeit, was es ermöglicht, Aktionen konsistent durchzuführen. Andere Geräte nutzen das Signal des Oszillators, um andere Frequenzen zu erzeugen, die Audiofunktionen bereitstellen oder Funksignale generieren können.

Das Verständnis verschiedener Oszillatortypen und ihrer Funktionsweise kann Ihnen helfen, den richtigen Oszillator für Ihr Projekt auszuwählen. Wenn Sie ein Funksignal erzeugen möchten, benötigen Sie einen wesentlich genaueren Oszillator, als Sie möglicherweise für andere Geräte benötigen würden. Oszillatoren sind etwas, das in einem Projekt leicht übersehen werden kann, mit der Einstellung, einfach irgendeinen alten Oszillator zu nehmen, der in den im Datenblatt angegebenen Frequenzbereich passt, der Platz auf der Platine und die Kostenanforderungen erfüllt. Die Wahl kann jedoch erheblich komplexer sein, je nach den Leistungsanforderungen für die PCB, dem Platzbedarf auf der Platine und der erforderlichen Frequenzpräzision. Einige Oszillatoren arbeiten mit Mikroampere oder weniger Leistung, während andere mehrere Ampere zum Betrieb benötigen.

Oszillatoren lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Harmonische und Relaxations-Oszillatoren. Harmonische Oszillatoren erzeugen eine sinusförmige Wellenform, RC-, LC-, Tankkreise, keramische Resonatoren und Quarzoszillatoren fallen alle in diese Kategorie.

In diesem Artikel werden wir uns ansehen:

• Widerstands-Kondensator-Oszillatoren (RC)
• Induktivitäts-Kondensator-Oszillatoren (LC)
• Keramikresonatoren
• Quarzoszillatoren
• Kristalloszillatormodule
• MEMS-Oszillatoren
• Silikon-Oszillatoren

Obwohl Sie vielleicht nicht vorhaben, selbst einen RC- oder LC-Oszillator zu bauen, sondern diesen Artikel lesen, um Informationen über verpackte Oszillatoren zu erhalten, die Sie einfach einem Schaltkreis hinzufügen können, werde ich mit einer Diskussion über RC- und LC-Oszillatoren beginnen. Es ist wesentlich zu verstehen, wie sie funktionieren und welche Nachteile sie haben können, da viele ICs mit integrierten Oszillatoren einen RC- oder LC-Schaltkreis verwenden. 

Indem Sie verstehen, wie sie funktionieren, können Sie besser einschätzen, wann es angebracht ist, den integrierten Oszillator zu verwenden, und wann es angebracht ist, eine externe Taktquelle hinzuzufügen. Wenn Sie mehr über die Oszillatoren und Uhren lernen möchten, können Sie leicht einen RC- oder LC-Oszillator auf einem Steckbrett aufbauen und mit einem Oszilloskop testen. Bevor wir dazu übergehen, werfen wir einen kurzen Blick auf einen Vergleich zwischen den verschiedenen Oszillatortypen.

Leistungsvergleich für Oszillatoren

Es ist erwähnenswert, dass jede Option in der untenstehenden Tabelle eine große Vielfalt an verschiedenen Geräten bietet, die auf dem Markt erhältlich sind. Wenn man beispielsweise feste Frequenz-MEMS-Oszillatoren betrachtet, variieren die Optionen, die regelmäßig bei DigiKey vorrätig sind, zwischen 150 Teilen pro Million bis zu 50 Teilen pro Milliarde in Bezug auf die Frequenzstabilität. Diese enorme Bandbreite an Frequenzstabilität geht auch mit einer großen Preisspanne einher, sodass, wo ein Oszillatortyp Optionen für extrem hohe Stabilität oder Präzision über einen weiten Temperaturbereich bieten könnte, dies nicht bedeutet, dass eine andere Option nicht günstiger für Ihre Präzisionsanforderungen sein könnte. 

Als extremes Beispiel hierfür hat der Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXO eine Frequenzstabilität von nur +/- 1,5 Teilen pro Milliarde. Der IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10MHz Atomoszillator kostet in Einzelstückzahlen mehr als das Zehnfache für dieselbe +/- 1,5ppb Frequenzstabilität. Trotzdem wird es Zeiten geben, in denen der 2000-Dollar-Atomoszillator die überlegene Wahl für einen extrem präzisen Oszillator sein wird. IQD Frequency Products stellt auch einen VCOCXO her, der eine atemberaubende Frequenzstabilität von +/- 1ppb über einen breiteren Temperaturbereich als der Atomoszillator hat. Bei weniger als dem Doppelten des Preises des Connor-Winfield-Geräts in Einzelstückzahlen und immer noch weniger als zehnmal günstiger als die Atomoption. Es ist unglaublich für mich, dass wir heute atomare Uhrquellen leicht beschaffen können, und noch verrückter, dass wir einen Kristalloszillator haben können, der für einen Bruchteil des Preises präziser ist.

RC-Oszillatoren=rc>

Nachdem wir nun einen allgemeinen Überblick über die Optionen erhalten haben, lassen Sie uns direkt zu den grundlegendsten Oszillatoren und den dahinterstehenden Prinzipien kommen - der RC-Oszillator ist einer, den Sie leicht auf einem Steckbrett mit sehr grundlegenden elektronischen Komponenten aufbauen können. Ein RC-Oszillator (Widerstand-Kondensator) ist eine Art Rückkopplungsoszillator, der unter Verwendung von Widerständen und Kondensatoren zusammen mit einem Verstärkungsgerät wie einem Transistor oder Operationsverstärker aufgebaut wird. Das Verstärkungsgerät speist zurück in das RC-Netzwerk, was positive Rückkopplung verursacht und wiederholte Schwingungen erzeugt.

Die meisten Mikrocontroller und viele andere digitale ICs, die ein Taktsignal für die Durchführung von Aktionen benötigen, enthalten ein RC-Oszillatornetzwerk in sich, um ihre interne Taktquelle zu erzeugen.

Arbeitsprinzip

Das RC-Netzwerk eines RC-Oszillators verschiebt die Phase des Signals um 180 Grad.

Das positive Feedback ist notwendig, um die Phase des Signals um weitere 180 Grad zu verschieben. Diese Phasenverschiebung ergibt dann 180 + 180 = 360 Grad Phasenverschiebung, was effektiv demselben wie 0 Grad entspricht. Daher muss die gesamte Phasenverschiebung des Schaltkreises 0, 360 oder ein anderes Vielfaches von 360 Grad betragen. 

Wir können die Tatsache nutzen, dass eine Phasenverschiebung zwischen dem Eingang zu einem RC-Netzwerk und dem Ausgang desselben Netzwerks auftritt, indem wir miteinander verbundene RC-Elemente im Rückkopplungszweig verwenden. Im Bild oben können wir sehen, dass jedes kaskadierte RC-Netzwerk eine Phasenverschiebung der Ausgangsspannung um 60 Grad bewirkt. Drei Netzwerke zusammen erzeugen eine Phasenverschiebung von 180 Grad.

Für ideale RC-Netzwerke kann die maximale Phasenverschiebung 90 Grad betragen. Daher benötigen Oszillatoren mindestens zwei RC-Netzwerke, um eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen. Es ist jedoch schwierig, genau 90 Grad Phasenverschiebung mit jeder RC-Netzwerkstufe zu erreichen. Wir müssen mehrere RC-Netzwerkstufen kaskadieren, um den erforderlichen Wert und die gewünschte Oszillationsfrequenz zu erzeugen.

Ein reines oder ideales einpoliges RC-Netzwerk würde eine maximale Phasenverschiebung von genau 90 Grad erzeugen. Für die Oszillation benötigen wir eine Phasenverschiebung von 180 Grad, daher müssen wir, um einen RC-Oszillator zu erstellen, mindestens zwei einpolige Netzwerke verwenden. 

Die tatsächliche Phase des RC-Netzwerks hängt von dem gewählten Widerstands- und Kapazitätswert für die gewünschte Frequenz ab.

Durch das Kaskadieren mehrerer RC-Netzwerke können wir eine Phasenverschiebung von 180 Grad bei der gewählten Frequenz erreichen. Diese Kaskade von Netzwerken bildet die Basis für den RC-Oszillator, der auch als Phasenschieberoszillator bekannt ist. Durch Hinzufügen einer Verstärkerstufe, die einen bipolaren Junction-Transistor oder einen invertierenden Verstärker nutzt, können wir eine 180-Grad-Phasenverschiebung zwischen seinem Eingang und Ausgang erzeugen, um die vollständige 360-Grad-Verschiebung zurück zu 0 Grad zu erreichen, wie oben erwähnt.

Grundlegendes RC-Oszillator-Schaltbild

Die primäre RC-Oszillatorschaltung erzeugt ein Sinuswellenausgangssignal unter Verwendung von regenerativem Feedback, das aus dem RC-Leiternetzwerk gewonnen wird. Regeneratives Feedback tritt aufgrund der Fähigkeit des Kondensators auf, eine elektrische Ladung zu speichern.

Das Resistor-Capacitor-Rückkopplungsnetzwerk kann so verbunden werden, dass es eine vorauseilende Phasenverschiebung (Phasenvorlaufnetzwerk) erzeugt oder so, dass es eine nacheilende Phasenverschiebung (Phasenverzögerungsnetzwerk) erzeugt. Ein oder mehrere Widerstände oder Kondensatoren aus der RC-Phasenverschiebungsschaltung können geändert werden, um die Frequenz des Netzwerks zu modifizieren. Diese Änderung kann vorgenommen werden, indem die Widerstände gleich gehalten und variable Kondensatoren verwendet werden, da die kapazitive Reaktanz mit der Frequenz variiert. Für die neue Frequenz könnte jedoch eine Anpassung der Spannungsverstärkung des Verstärkers erforderlich sein.

Wenn wir die Widerstände und Kondensatoren für RC-Netzwerke wählen, dann wäre die Frequenz der RC-Oszillationen:

R - Widerstand der Rückkopplungswiderstände
C - Kapazität der Rückkopplungskondensatoren
N - Anzahl der kaskadierten RC-Netzwerke

Jedoch wirkt die Kombination des RC-Oszillatornetzwerks als Dämpfer, und es reduziert das Signal um einen bestimmten Betrag, während es durch jede RC-Stufe geht. Daher sollte die Spannungsverstärkung der Verstärkerstufe ausreichend sein, um das verlorene Signal wiederherzustellen. 

Der häufigere RC-Oszillatorschaltkreis ist ein Op-Amp-Phasenvorlauf-RC-Oszillator.

Das RC-Netzwerk muss mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden werden, was es zur invertierenden Verstärkerkonfiguration macht. Die invertierende Konfiguration führt zu einer Phasenverschiebung von 180 Grad am Ausgang, was zusammen mit den RC-Netzwerken zu einer Gesamtverschiebung von 360 Grad führt.

Die andere Konfiguration des RC-Oszillators ist der Operationsverstärker-Phasenverzögerungsoszillator.

LC-Oszillator

Ein LC- oder Induktor-Kondensator-Oszillator ist eine Art von Oszillator, der einen Tankkreis nutzt, um positive Rückkopplung zur Aufrechterhaltung der Schwingung zu erzeugen. Das Schaltbild enthält einen Induktor, einen Kondensator und auch eine verstärkende Komponente. 

Wirkungsprinzip

Der Tankkreis ist ein parallel geschalteter Kondensator und Induktor, das obige Diagramm enthält auch den Schalter und die Spannungsquelle zur vereinfachten Demonstration des Wirkungsprinzips, wenn der Schalter den Kondensator mit der Spannungsversorgung verbindet, lädt sich der Kondensator auf.

Wenn der Schalter den Kondensator und Induktor verbindet, entlädt sich der Kondensator durch den Induktor. Der zunehmende Strom durch den Induktor beginnt, Energie zu speichern, indem er ein elektromagnetisches Feld um die Spule induziert. 

Wenn der Schalter den Kondensator und die Spule verbindet, entlädt sich der Kondensator durch die Spule. Der zunehmende Strom durch die Spule beginnt, Energie zu speichern, indem ein elektromagnetisches Feld um die Spule induziert wird. Nachdem der Kondensator entladen wurde, wurde die Energie von ihm als elektromagnetisches Feld in die Spule übertragen. Wenn der Energiefluss aus der Kapazität abnimmt, verringert sich auch der Stromfluss durch die Spule - dies verursacht einen Rückgang des elektromagnetischen Feldes der Spule. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion erzeugt die Spule eine Gegen-EMK, die gleich L(di/dt) im Widerspruch zur Änderung des Stroms ist. Diese Gegen-EMK beginnt dann, den Kondensator aufzuladen. Sobald der Kondensator die Energie aus dem magnetischen Feld der Spule aufgenommen hat, wird die Energie erneut als elektrostatisches Feld innerhalb des Kondensators gespeichert.

Wenn wir eine ideale Spule und einen idealen Kondensator hätten, könnte dieser Schaltkreis die Schwingungen für immer erzeugen. Ein Kondensator hat jedoch einen Stromverlust, und Spulen haben einen Widerstand. Im wirklichen Leben würden die Schwingungen jedoch wie unten aussehen, da Energie verloren geht. Dieser Verlust wird als Dämpfung bezeichnet.

Wenn wir die Schwingungen aufrechterhalten wollen, müssen wir den Energieverlust des Schwingkreises durch das Hinzufügen von aktiven Komponenten zum Schaltkreis ausgleichen, wie Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren oder Operationsverstärker. Die Hauptfunktion der aktiven Komponenten besteht darin, den notwendigen Gewinn hinzuzufügen, positive Rückkopplung zu erzeugen und den Energieverlust zu kompensieren.

Abgestimmter Kollektorschwingkreis

Der abgestimmte Kollektorschwingkreis ist ein Transformator und ein Kondensator, die parallel geschaltet und mit einem Transistor geschaltet sind. Dieser Schaltkreis ist das grundlegendste LC-Oszillatorschema. Die Primärspule des Transformators und der Kondensator bilden den Schwingkreis, wobei die Sekundärspule positive Rückkopplung liefert, die einen Teil der vom Schwingkreis erzeugten Energie an die Basis des Transistors zurückführt.

Colpitts-Oszillator

Ein Colpitts-Oszillator ist ein LC-Tankoszillator, der in RF-Anwendungen sehr verbreitet ist. Er eignet sich für Anwendungen bis zu mehreren hundert Megahertz. Diese Schaltung besteht aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren, die einen Spannungsteiler bilden, welcher dem Transistor Rückkopplung liefert, mit einem parallel geschalteten Induktor. Obwohl dieser Oszillator relativ stabil ist, kann er schwer einzustellen sein und wird oft mit einer Emitterfolgerschaltung implementiert, um das Resonanznetzwerk nicht zu belasten.

Clapp-Oszillator

Um die Schwierigkeiten bei der Abstimmung des Colpitts-Oszillators auf eine spezifische Frequenz in der Produktion zu überwinden, wird oft ein variabler Kondensator in Serie mit dem Induktor hinzugefügt, wodurch ein Clapp-Oszillator entsteht. Diese Modifikation ermöglicht es, den Schaltkreis während der Produktion und Wartung auf die spezifische erforderliche Frequenz abzustimmen. Leider ist dieser Typ von LC-Oszillator immer noch ziemlich empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und parasitärer Kapazität.

Keramikresonator

Piezoelektrisches Keramikmaterial mit zwei oder mehr Metallelektroden (typischerweise 3) bildet die Grundlage eines Keramikresonators. In einem elektronischen Schaltkreis schwingt das piezoelektrische Element mechanisch, was ein oszillierendes Signal einer spezifischen Frequenz erzeugt - ähnlich einer Stimmgabel. Keramikresonatoren sind kostengünstig; jedoch liegt die Frequenztoleranz von Keramikresonatoren nur bei etwa 2500 - 5000 ppm. Diese Toleranz von 0,25% bis 0,5% der Ziel-Frequenz ist für Präzisionsanwendungen nicht geeignet, aber sie können eine erhebliche Kostenersparnis darstellen, wo absolute Genauigkeit nicht erforderlich ist.

Mit Frequenzen von unter 1kHz bis über 1GHz gibt es eine Reihe verschiedener Materialien und Schwingungsmodi, die Keramikresonatoren verwenden. Es kann wesentlich sein, die Resonanzmethode zu verstehen, die in einem Gerät verwendet wird, das Sie in Ihr Design einbauen. Umweltfaktoren wie Vibration und Schock könnten die Funktion des Resonators in Ihrem Schaltkreis beeinflussen.

Quarzoszillator

Der Quarzoszillator ist der am häufigsten vorkommende Typ eines Kristalloszillators auf dem Markt. Wo Genauigkeit und Stabilität entscheidend sind, ist die erste Wahl Kristalloszillatoren und ihre Varianten. Die Stabilität eines Kristalloszillators wird in ppm (Teile pro Million) gemessen, und die Stabilität kann je nach spezifischem Gerät irgendwo zwischen 0,01% und 0,0001% über -20 bis +70 Celsius liegen. Die Stabilität eines RC-Oszillators kann bestenfalls 0,1% und die eines LC-Oszillators 0,01% betragen, typischerweise liegen sie jedoch bei etwa 2% und sind sehr temperaturempfindlich. Ein Quarzkristall kann mit sehr wenig Energie schwingen, die benötigt wird, um ihn aktiviert zu halten, verglichen mit vielen anderen Oszillatoren, was sie perfekt für Anwendungen mit niedrigem Energieverbrauch macht. 

Wenn der Kristall entweder durch eine physische Kompression oder, in unserem Fall, eine angelegte Spannung schockangeregt wird, wird er mechanisch mit einer spezifischen Frequenz schwingen. Diese Schwingung wird für einige Zeit andauern und erzeugt eine Wechselspannung zwischen seinen Anschlüssen. Dieses Verhalten ist der piezoelektrische Effekt, derselbe wie bei einem keramischen Resonator. Im Vergleich zu einem LC-Schwingkreis wird die Schwingung des Kristalls nach der anfänglichen Anregung länger anhalten – ein Ergebnis des natürlich hohen Q-Wertes des Kristalls. Für einen hochwertigen Quarzkristall ist ein Q von 100.000 nicht ungewöhnlich. LC-Schaltkreise haben typischerweise einen Q-Wert von einigen hundert. Jedoch können sie selbst mit dem viel höheren Q nicht ewig schwingen. Es gibt Verluste durch die mechanische Schwingung, daher benötigen sie einen Verstärkerschaltkreis wie RC- und LC-Oszillatoren. Für die meisten Geräte, die eine externe Kristalluhrquelle nutzen, wird dies in das Gerät integriert sein, und die einzigen zusätzlichen elektronischen Komponenten, die benötigt werden, sind die Lastkondensatoren. Die Lastkondensatoren sind essenziell; wenn die Kapazität dieser nicht korrekt ist, wird der Oszillator nicht stabil sein. Typischerweise enthält das Datenblatt für den Oszillator vorgeschlagene Werte oder bietet eine Gleichung, um den korrekten Wert für Ihren Schaltkreis zu berechnen.

Weitere zu berücksichtigende Dinge:

1. Platzieren Sie sowohl die Kondensatoren als auch den Quarzkristall so nah wie möglich am MCU
2. Verwenden Sie so kurze und breite Leiterbahnen wie möglich, um parasitäre Induktivitäten zu verhindern.

Es gibt viele Varianten des Quarzoszillators; jedoch werden Sie über einen typischen Kristall, oder "XO", hinaus normalerweise nur die anderen Optionen für spezialisierte Anwendungen verwenden. Diese spezialisierten Oszillatoren können sehr teuer sein und haben erstaunlich stabile und präzise Schwingungen in unglaublich herausfordernden Umgebungen, wo absolute Präzision erforderlich ist. Die überwiegende Mehrheit der Projekte wird nichts über einen TCXO aus der untenstehenden Liste hinaus benötigen, aber es könnte interessant sein, weiter darüber zu forschen. 

Diese Liste stammt von Wikipedia:

• ATCXO — Analoger temperaturgesteuerter Quarzoszillator
• CDXO — Kalibrierter Dual-Quarzoszillator
• DTCXO — Digital temperaturkompensierter Quarzoszillator
• EMXO — Evakuierter Miniatur-Quarzoszillator
• GPSDO — Global Positioning System disziplinierter Oszillator
• MCXO — Mikrocomputer-kompensierter Quarzoszillator
• OCVCXO — Ofenkontrollierter spannungsgesteuerter Quarzoszillator
• OCXO — Ofenkontrollierter Quarzoszillator
• RbXO — Rubidium-Quarzoszillatoren (RbXO), ein Quarzoszillator (kann ein MCXO sein), der mit einem eingebauten Rubidiumstandard synchronisiert ist, der nur gelegentlich zur Energieeinsparung betrieben wird
• TCVCXO — Temperaturkompensierter spannungsgesteuerter Quarzoszillator
• TCXO — Temperaturkompensierter Quarzoszillator
• TMXO – Taktischer Miniatur-Quarzoszillator
• TSXO — Temperaturmessender Quarzoszillator, eine Anpassung des TCXO
• VCTCXO — Spannungsgesteuerter temperaturkompensierter Quarzoszillator
• VCXO — Spannungsgesteuerter Quarzoszillator

Quarzoszillator-Module

Angenommen, Sie suchen nach einer präzisen Taktquelle für eine Anwendung, die nicht über die Verstärker-Schaltung verfügt, um einen Quarzoszillator nutzen zu können. In diesem Fall könnte ein Oszillatormodul eine großartige Lösung sein. Diese Module verfügen über alle notwendigen Schaltungen, um einen verstärkten und gepufferten Takt für jede gewünschte Anwendung bereitzustellen. Wie bei vielen vollständig integrierten Geräten zahlen Sie für den Komfort, die Preise sind in der Regel deutlich höher als die des Quarzoszillators selbst, und sie haben einen größeren Platzbedarf. Trotzdem können sie immer noch kleiner sein als der Aufbau von Oszillatorverstärkungs- und Pufferschaltungen und machen sich keine Sorgen um die Stabilität.

Die meisten Oszillatormodule verfügen über einen Kristall und ein CMOS-Inverter-Gate, das einen Pierce-Oszillatorschaltkreis verwendet. Obwohl CMOS-Inverter weniger stabil sind und einen höheren Stromverbrauch haben als transistorbasierte Oszillatoren, sind CMOS-Inverter-basierte Gates einfach und vollständig nutzbar in vielen Anwendungen. 

MEMS-Oszillatoren

MEMS- oder microelektromechanische System-Oszillatoren sind präzise Zeitgeber, die auf der MEMS-Technologie basieren und eine relativ neue Technologie darstellen. MEMS-Oszillatoren bestehen aus MEMS-Resonatoren, OpAmps und zusätzlichen elektronischen Komponenten, um ihre Ausgangsfrequenzen einzustellen oder anzupassen. MEMS-Oszillatoren enthalten oft Phasenregelschleifen, die wählbare oder programmierbare Ausgangsfrequenzen erzeugen.

Der Betrieb von MEMS-Resonatoren ähnelt einer winzigen Stimmgabel, die mit hohen Frequenzen schwingt. Da MEMS-Geräte klein sind, können sie mit sehr hohen Frequenzen schwingen, wobei ihre abgestimmten Resonanzstrukturen Frequenzen von Zehntausenden von kHz bis zu Hunderten von MHz erzeugen. 

MEMS-Resonatoren werden mechanisch angetrieben und fallen in zwei Kategorien: elektrostatisch und piezoelektrisch. Hauptsächlich werden MEMS-Oszillatoren elektrostatische Transduktion verwenden, da piezoelektrische Transduktionsresonatoren nicht ausreichend stabil sind. Piezoelektrische Transduktions-MEMS-Resonatoren finden Verwendung in Filteranwendungen.

Einer der großen Vorteile von MEMS-Oszillatoren ist, dass sie für mehrere Lasten verwendet werden können und somit mehrere Quarzoszillatoren in einer Schaltung ersetzen. Diese Funktion kann zu einer erheblichen Reduzierung der Kosten und des für Oszillatorschaltungen benötigten Platzes auf der Platine führen. Im Vergleich zu anderen Oszillatorschaltungen, sogar Quarzoszillatoren, ist der Stromverbrauch von MEMS-Geräten extrem niedrig aufgrund des geringeren Kernstromverbrauchs. Der niedrige Stromverbrauch kann es Geräten, die mit einer Batterie betrieben werden, ermöglichen, deutlich länger zu laufen, oder die Notwendigkeit eliminieren, den primären Oszillatorkreis abzuschalten, um Strom zu sparen. MEMS-Oszillatoren benötigen im Gegensatz zu anderen Oszillatoren keine externen Komponenten für den Betrieb, was weitere Platz- und Kosteneinsparungen bietet. Frühe MEMS-Oszillatoren hatten etwas mit Stabilität zu kämpfen, und es gibt Optionen auf dem Markt mit einer Frequenzstabilität von +/- 8 Teilen pro Milliarde, wenn man bereit ist, dafür zu bezahlen.  

Silizium-Oszillatoren

Wie zu Beginn des Artikels erwähnt, haben viele Geräte Oszillatoren, die in ihr Silizium integriert sind. Siliziumoszillatoren sind meistens gleich, nur in einem separaten Gehäuse. Diese integrierte Schaltung bietet Ihnen eine komplette RC-Oszillatorschaltung, die aus Silizium besteht. Sie bietet eine bessere Abstimmung und Kompensation, als Sie typischerweise für ähnliche Kosten mit passiven Komponenten herstellen können, in einem kleineren Gehäuse. Siliziumoszillatoren können ein großer Vorteil für Geräte sein, die Stößen ausgesetzt sind oder Vibrationen erfahren, da sie keine mechanisch resonanten Elemente haben. Auf den meisten Lieferanten-Websites finden Sie diese unter der Kategorie Integrierte Schaltkreise und nicht unter der Kategorie Oszillatoren.

Zusätzlich zu den Vorteilen gegenüber anderen Oszillatoren in rauen Umgebungen ist ein Siliziumoszillator in der Regel programmierbar. Die Programmieroptionen hängen vom spezifischen Gerät ab; jedoch ist ein Frequenzeinstellwiderstand oder eine SPI/I2C-Schnittstelle üblich. Obwohl Siliziumoszillatoren normalerweise einen relativ schlechten Frequenzfehler von etwa 1-2% haben, sind sie kompakt und benötigen nur einen externen Stromversorgungs Bypass-Kondensator. Sie können eine kostengünstige Alternative zu anderen Oszillatortypen in nicht-präzisen Anwendungen sein.

Zusammenfassung

Die Wahl der optimalen Taktquelle ist nicht einfach. Es gibt viele Faktoren, wie allgemeine Stabilität, Empfindlichkeit über Temperatur, Vibration, Feuchtigkeit, EMI, Kosten, Größe, Energieverbrauch, anspruchsvolles Layout und zusätzliche Komponenten.

Es gibt viele Anwendungen, bei denen integrierte RC- oder Siliziumoszillatoren geeignet sind, da diese Anwendungen keine zusätzliche Genauigkeit erfordern. Die Nutzung eines internen Oszillators kann Entwicklungszeit, Kosten sparen und das Ingenieurrisiko reduzieren. Moderne Anwendungen erfordern jedoch zunehmend eine hohe Genauigkeit, was den Einsatz eines externen Oszillators, wie Quarzkristall, Keramik oder MEMS, erfordert.

Als Beispiel benötigt USB mit hoher Geschwindigkeit eine Mindestfrequenzgenauigkeit von 0,25%, während einige andere externe Kommunikationen mit Taktquellen von 5%, 10% oder sogar 20% Stabilität korrekt funktionieren können. Andere Hochgeschwindigkeitsbusse und RF-Anwendungen erfordern oft eine viel größere Frequenzpräzision als USB.

Der Stromverbrauch von Oszillatoren für Mikrocontroller hängt vom Versorgungsstrom des Rückkopplungsverstärkers und den verwendeten Kapazitätswerten ab. Der Stromverbrauch dieser Verstärker hängt größtenteils von der Frequenz ab, daher sollten Sie, wenn Sie ein Gerät mit sehr niedrigem Stromverbrauch entwerfen möchten, Ihre Taktfrequenz auf das Minimum reduzieren, bei dem Ihr Gerät seine Arbeit noch abschließen kann. Oft werden Sie feststellen, dass ein Mikrocontroller viele überschüssige Taktzyklen hat, die alle unnötigen Strom verbrauchen.

Keramikresonatorschaltungen geben in der Regel größere Lastkapazitätswerte an als Kristallschaltungen und ziehen noch mehr Strom als eine Kristallschaltung, die denselben Verstärker verwendet. Im Vergleich dazu ziehen Kristalloszillatormodule aufgrund der Temperaturkompensation und Steuerfunktionen, die enthalten sind, normalerweise zwischen 10mA und 60mA Versorgungsstrom.

Es gibt viele Arten von Oszillatoren auf dem Markt, jeder mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. Für allgemeine Anwendungen, bei denen präzises Timing nicht absolut kritisch ist, können Sie fast jedes Oszillatorgerät oder jede Schaltung verwenden, die die Frequenzanforderungen erfüllt. Für präzisere Schaltungen möchten Sie vielleicht teurere Geräte wie MEMS-Oszillatoren in Betracht ziehen, die Teile pro Milliarde Frequenzstabilität auch über einen großen Temperaturbereich bieten können, erwarten Sie jedoch, Zehner oder Hunderte von Dollar pro Oszillator zu bezahlen.

Wenn Sie einen LED-Controller oder ähnliche Schaltkreise bauen, die nur einen Mikrocontroller benötigen, um einige Verwaltungs- oder Benutzeroberflächen-Codes auszuführen, wird Ihnen der integrierte RC-Oszillator alles bieten, was Sie benötigen. Angenommen, Sie arbeiten an einem Tiefsee-Tauchboot, das seine Position präzise verfolgen kann. In diesem Fall könnte ein Oszillator, der eine Stabilität von nur wenigen Teilen pro Milliarde über einen weiten Temperaturbereich aufweist, das Minimum sein, mit dem Sie auskommen können. Je enger Sie Sensordaten integrieren möchten oder je schmaler der Bandbereich ist, den Sie für die Funkkommunikation verwenden möchten, desto stabiler muss Ihr Oszillator sein. Angenommen, Sie vervielfachen Ihre Frequenz erheblich, zum Beispiel. In diesem Fall, wenn Sie ein Gigahertz-Signal aus einem Megahertz-Oszillator erzeugen, desto stabiler muss der Oszillator sein, da jeder Fehler vergrößert wird.

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