Von RC bis zu Atomuhren: Alle Taktquellen

In fast allen modernen Schaltkreisen, insbesondere wenn digitale Schaltungen beteiligt sind, findet man irgendeine Art von Taktquelle. Alle Taktquellen weisen eine Reihe von Kompromissen hinsichtlich Stabilität, Zuverlässigkeit, Größe, Stromverbrauch und Kosten auf.

Glücklicherweise sind solche Kompromisse relativ einfach und können fast vollständig in diesem einzigen Artikel erklärt werden. Wir werden die Vor- und Nachteile jeder Taktquelle diskutieren, vom RC in einem 555-betriebenen Oszillator bis zu einer Wasserstoff-Maser-Atomuhr.

Lassen Sie uns beginnen!

Relaxations- und Verzögerungsquellen

RC-Relaxation

Relaxationsoszillatoren bestehen aus einem Schaltgerät (normalerweise BJTs, JFETs, Mosfets oder digitalen Gates) und einem Kondensator zur Ladungsspeicherung. Der Kondensator wird bis zu einem definierten Spannungsniveau aufgeladen, dann ändert sich der Zustand des Geräts und der Kondensator wird entladen. Der Schaltkreis oszilliert zwischen dem Aufladen und dem Entladen.

Relaxationsoszillatoren erzeugen keine sinusförmigen Signale. Stattdessen produzieren sie Sägezahn-Signale und Rechteckwellen.

Ein typisches Beispiel für den RC-Relaxationsoszillator ist der berühmte NE555. Parameter für diesen Typ von Oszillator finden Sie unten.

Parameter	Wert
Stabilität (niedriger ist besser)	10^-2 bis 10^-3
Abstimmbarkeit	über 10:1
Frequenzbereich	Hz bis 10er Mhz
Kosten	Extrem niedrig

 

Verzögerungs- und Phasenverschiebungsoszillatoren

 

Die Anforderung, um einen analogen Schaltkreis zum Schwingen zu bringen, ist eine 180-Grad-Phasenverschiebung bei Einheitsverstärkung in einer Rückkopplungsschleife. Eine Reihe von RC-Elementen kann die Phase eines Signals um die notwendigen 180 Grad verschieben, um Schwingungen zu erreichen.

Den gleichen Effekt kann man mit jedem Gerät erzielen, das eine angemessene Verzögerung im Signal bietet, zum Beispiel eine Reihe von NICHT-Gattern in Serie oder eine ausreichend lange Spule Draht.

Verzögerungsoszillatoren haben in der Regel eine schlechtere Stabilität im Vergleich zu anderen Oszillatortypen, so sehr, dass Halbleiterhersteller sie verwenden, um Wafer zu testen, da ihre Leistung stark temperaturabhängig ist.

Häufig sind NICHT-Gatter in Serie so instabil, dass man die Frequenzschwankungen des Oszillators als echten Zufallszahlengenerator verwenden kann.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-2 bis 10^-3
Abstimmbarkeit	10:1 oder weniger
Frequenzbereich	10Mhz bis 100er Mhz
Kosten	Extrem niedrig, wenn Teil eines anderen IC

 

Resonatoren

 

Bei der Betrachtung von Relaxations- und Verzögerungsquellen wird das Design umso unpraktischer, je höher ihre Nennfrequenz ist.

Ein Resonator ist ein Gerät oder System, das resonantes Verhalten zeigt und bei bestimmten Frequenzen mit höherer Amplitude schwingt. Bei vielen Arten von Resonatoren tendieren diese Frequenzen dazu, relativ schmal und stabil zu sein, was sie zu ausgezeichneten Oszillatoren macht.

Resonatoren können aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften (zum Beispiel LC-Resonatoren), elektromechanischen Eigenschaften (zum Beispiel Keramik, Kristalle und MEMS), elektromagnetischer Wellenausbreitung oder sogar atomarer Eigenschaften für Atomuhren resonieren.

Fast alles kann ein Resonator sein, von Wolkenkratzern bis zu Ihrer Lungenhöhle. Wenn Sie möchten, könnten Sie als nächste Uhrquelle ein Pendel verwenden, aber in diesem Artikel beschränken wir uns auf Resonatoren, die in der Elektronikindustrie weit verbreitet sind, um ein Taktsignal zu erzeugen.

LC-Resonatoren

LC-Resonatoren waren einst die am weitesten verbreitete Art von Oszillatoren, als die Welt noch mit drahtlosen Radios betrieben wurde, die unter einigen hundert Megahertz lagen.

Sie bestehen aus einer Art LC-Netzwerk, das mit einem Verstärker verbunden ist, wobei der Verstärker eine positive Rückkopplung liefert. Die gängigsten Arten von LC-Oszillatoren sind Colpitts und Hartley.

LC-Resonatoren sind nur mäßig abstimmbar. Frühe Radios verwendeten variable Induktoren oder variable Kondensatoren, aber wenn das Ziel darin besteht, die Frequenz elektronisch zu justieren, ist die einzige praktikable Methode, das 'C' in LC zu ändern. Der Trick besteht darin, eine in Sperrrichtung polarisierte Diodenstrecke zu verwenden, die eine spannungsabhängige Kapazität bei Sperrpolung aufweist.

Speziell entworfene Dioden, sogenannte Varaktoren, sind darauf abgestimmt, ein Kapazitätsverhältnis von bis zu 15:1 abzudecken. Ein Varaktor kann in einen ausgezeichneten Spannung-zu-Kapazität-Wandler umgewandelt werden, indem ein Kondensator in Serie mit ihm geschaltet wird, um den Gleichstrom-Sperrstrom zu eliminieren.

Parameter	Wert
Stabilität (niedriger ist besser)	10^-3 bis 10^-5
Abstimmbarkeit	mäßig
Frequenzbereich	Khz bis 100er Mhz
Kosten	niedrig

 

Kristalle/XTAL

 

RC-Oszillatoren mit sorgfältig ausgewählten Komponenten können eine Stabilität von 0,1% erreichen. LC-Oszillatoren schneiden etwas besser ab, etwa bei 0,01%. Kristalle können es noch viel besser, wie wir gleich sehen werden.

Die Funktionalität von Quarzoszillatoren ist dem piezoelektrischen Effekt und dem daraus resultierenden inversen piezoelektrischen Effekt zu verdanken. Wenn ein piezoelektrisches Material mechanisch stimuliert wird, erzeugt es ein elektrisches Signal. Umgekehrt erzeugt eine elektrische Stimulation im selben Material mechanische Bewegungen.

Wenn ein piezoelektrisches Material in einer geeigneten Form geschnitten und mit zwei Elektroden versehen wird, ist es möglich, durch elektrische Stimulation eine Schallwelle zu erzeugen. Die Schallwelle wird hin und her propagieren und dabei ebenfalls eine Spannung erzeugen. Der piezoelektrische Effekt wurde erstmals Mitte des 18. Jahrhunderts dokumentiert.

Ein Quarzoszillator kann allgemein elektrisch als ein Widerstand, eine Induktivität und ein Kondensator in Serie modelliert werden, mit einem weiteren Kondensator parallel zur RLC-Serie aufgrund der parasitären Kapazität der plattierten Kontakte und der Bauteilanschlüsse.

Alle Kristalle haben nicht nur einen Resonanzmodus, sondern zwei: Serie und Parallel.

Im Serienresonanzmodus schwingen C1 und L1, und C0 ist nicht am Prozess beteiligt. Im Parallelresonanzmodus schwingen C0 und C1 zusammen mit L1.

Wann immer Sie einen IC verwenden, der einen Quarzoszillator benötigt, sollten Sie überprüfen, ob der Hersteller angegeben hat, für welchen Resonanzmodus das Bauteil spezifiziert ist, Serie oder Parallel. Ihre Resonanzfrequenzen werden unterschiedlich sein.

Im Parallelresonanzmodus können Sie den Wert von C0 ändern, indem Sie einen zweiten Kondensator parallel schalten. VCXO oder spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren werden oft mit einem Varaktor parallel zum Hauptkristall erstellt.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-5
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	10er Khz bis 10er Mhz
Kosten	mittel

 

Keramikresonatoren (nicht zu verwechseln mit SAW-Oszillatoren)

 

Ähnlich wie Kristalle sind Keramikresonatoren piezoelektrische Bauelemente, aber anstatt aus Quarz bestehen sie aus Keramik.

Keramikresonatoren haben ähnliche elektrische Eigenschaften wie Quarzoszillatoren, sind jedoch weniger präzise (typischerweise 0,3 % Anfangsfrequenzgenauigkeit) und haben eine schlechte Stabilität (0,2-1 % über Zeit und Temperatur). Die gute Nachricht? Sie sind spottbillig!

Keramikresonatoren füllen eine ansonsten leere Nische zwischen Quarzoszillatoren und RC und sind oft elektrisch kompatibel mit ersteren.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-5
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	10er kHz bis 10er MHz
Kosten	niedrig-mittel

TCXO

 

Temperaturkompensierte Kristalloszillatoren (TCXO) sind eine Verbesserung gegenüber Standardkristallen und oft notwendig, wenn Sie eine stabile Frequenz über einen weiten Temperaturbereich benötigen, zum Beispiel über industrielle oder automobiltechnische Temperaturbereiche, besonders beim Einsatz einer Echtzeituhr (RTC).

Sie beinhalten aktive Schaltkreise, die die Temperaturabweichung der Frequenz kompensieren, üblicherweise durch Verwendung des parallelen Resonanzmodus und Änderung der Kapazität des parallelen äquivalenten Kondensators C0 mit einem Varaktor, wie zuvor beschrieben.

Die ausgefeilteren Modelle beinhalten einen Mikroprozessor, analog-digitale Schaltkreise und eine Lookup-Tabelle und können eine Frequenzverschiebung von bis zu 1ppm über zehn Jahre darstellen.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-6 bis 10^-7
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	10er Khz bis 10er Mhz
Kosten	mittel

 

OCXO

 

Ofenkontrollierte Quarzoszillatoren (OCXO) können die höchstmögliche Frequenzstabilität erreichen, die mit einem Quarzoszillator möglich ist, tatsächlich die höchstmögliche Frequenzstabilität ohne in irgendeiner Form auf atomare Quellen zurückzugreifen.

Bei einem OCXO wird eine spezielle Art von Kristall, der bei einer bestimmten Temperatur, üblicherweise zwischen 80 und 90 Grad Celsius, einen Nulltemperaturkoeffizienten aufweist, durch einen elektronisch gesteuerten Ofen beheizt. Auf diese Weise wird der Temperaturkoeffizient auf zwei verschiedene Arten annulliert: indem die Temperatur so stabil wie möglich gehalten und indem in einem Regime gearbeitet wird, in dem er von vornherein null ist.

OCXO, insbesondere die größeren, die sich etwas zusätzliche thermische Isolierung leisten können, sind so gut darin, Temperaturabweichungen zu korrigieren, dass der primäre verbleibende Fehler die Alterung des Kristalls ist. Einige OCXO integrieren sogar einen Mikrocomputer, um die Alterung mit Hilfe von ausgeklügelten Algorithmen zu kompensieren; sie werden jedoch immer anfällig für Drift aufgrund von mechanischen Schocks und anderen unvorhersehbaren physischen Stimuli sein.

Der Nachteil der Verwendung von OCXOs ist der hohe Preis und der erhöhte Temperaturverbrauch aufgrund der Heizung.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-8 bis 10^-9
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	typischerweise 10Mhz
Kosten	hoch

 

MEMs

 

MEMs oder mikromechanische Geräte werden üblicherweise aus Silizium hergestellt, unter Verwendung von Prozessen, die denen in der integrierten Schaltkreisherstellung ähnlich sind.

Derzeit ist der kleinste Kristalloszillator der FCX-08 von River Electronics, mit 1,2×1,0mm. Selbst wenn der Kristall im Inneren kleiner ist, erfordern Kristalle, um gute Spezifikationen über die Zeit zu erhalten, Schutz vor Umweltkontamination und Luft durch versiegelte Verpackung, entweder durch Löten (für die „großen und günstigen“ Modelle) oder durch Elektronenstrahlschweißen (kleiner, aber teurer).

MEMs-Oszillatoren können deutlich kleiner sein als Quarzoszillatoren. Die neueste Generation der iPhones verwendet MEMs-Oszillatoren von SiTime, die nur 0,42x0,42mm messen und in Wafer-Level-Paketen erhältlich sind.

MEMs haben oft auch einen geringeren Stromverbrauch als Quarzoszillatoren.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-5
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	10er kHz bis 10er MHz
Kosten	hoch

 

SAW

 

Oberflächenwellen-Oszillatoren (SAW) funktionieren ähnlich wie Quarzoszillatoren. Anstatt einer Volumenwelle, die den gesamten Kristall biegt und bewegt, nutzen SAW-Oszillatoren Oberflächenwellen. Sie haben in der Regel einen Eingangswandler und einen Ausgangswandler und verhalten sich ähnlich wie analoge Verzögerungsleitungen.

SAW werden üblicherweise in Keramik und nicht in Quarz hergestellt, obwohl auch Quarzmodelle bekannt sind.

SAW können Frequenzen von bis zu mehreren hundert MHz erreichen, viel höher als die Zehnermegahertz von Kristallen.

SAWs können eine praktikable, kostengünstige Taktquelle für gängige RF-Frequenzen wie 433Mhz sein. Weniger gebräuchliche Werte tendieren dazu, teurer zu sein, oft mehr als ein Kristall und ein PLL IC.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-4
Abstimmbarkeit	10^-4
Frequenzbereich	100er Mhz
Kosten	mittel

Hohlraumresonatoren

 

Hohlraumresonatoren werden typischerweise bei Mikrowellenfrequenzen verwendet, und das bekannteste Beispiel ist der Hohlraummagnetron, der in Mikrowellen vorhanden ist.

Ihre Verwendung ist auf Hochleistungs-RF-Anwendungen beschränkt, daher werden wir sie nicht weiter diskutieren.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-5
Abstimmbarkeit	nur mechanisch
Frequenzbereich	Ghz bis 10er Ghz
Kosten	hoch

 

Dielektrische Resonatoren

 

Dielektrische Resonatoren sind Stücke aus dielektrischem Material, üblicherweise Bariumtitanat oder eine ähnliche Keramik, und werden verwendet, um Hohlraumoszillatoren zu ersetzen. Sie können dielektrische Resonatoren ähnlich wie Oberflächenmontagekomponenten auf HF-PCBs kleben. Sie werden beispielsweise im beliebten HB100 Doppler-Modul verwendet.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-4
Abstimmbarkeit	nur mechanisch
Frequenzbereich	Ghz bis 10er Ghz
Kosten	mittel

Atomuhren

 

Wenn ein OCXO-Kristalloszillator in Bezug auf Stabilität und Präzision nicht ausreicht, können Atomuhren kleiner und erschwinglicher sein, als Sie vielleicht denken.

Rubidium

Rubidium-Atomuhren sind die erschwinglichsten Atomuhren, die verfügbar sind. Eine Rubidium-Entladungslampe (ähnlich einer kleinen Quecksilberlampe, wie jenen, die die Straße beleuchten) wird ihren Lichtausstoß um etwa 0,1% verringern, wenn ihr Rubidiumdampf einem elektromagnetischen Feld mit einer Frequenz nahe ihrer Hyperfeinübergangsfrequenz, 6,834,682,612 GHz, ausgesetzt ist.

Die Frequenz des Mikrowellenfeldes wird aus dem in jedem Rubidium-Uhr vorhandenen 10Mhz-Kristalloszillator synthetisiert. Wenn das Licht nachlässt, weiß der Mikrocontroller, dass die Frequenz genau 6,834,682,612 GHz beträgt und kann den Kristalloszillator entsprechend korrigieren.

Rubidium-Uhren sind im Laufe der Jahre immer kleiner geworden und sind jetzt in Paketen erhältlich, die DC-DC-Wandlern ähneln und ein Gewicht von gerade einmal über 30g haben.

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-10
Abstimmbarkeit	-
Frequenzbereich	Nur 10Mhz
Kosten	200-2000USD

 

GPS/GNSS-geregelte Oszillatoren

 

Der GPS-Empfänger in Ihren Handys funktioniert, indem er sorgfältig die Ankunftszeit von Signalen aus verschiedenen Satelliten vergleicht und seine eigene Position trianguliert.

Um eine solche Leistung zu erbringen, müssen die Satelliten extrem präzise Atomuhren an Bord haben. Die GPS-Satelliten haben üblicherweise Rubidium-Atomuhren, während das modernere Galileo-System eine Kombination aus redundanten Wasserstoffmaser- und Rubidium-Atomuhren hat und sogar eine höhere Stabilität erreichen kann.

In beiden Fällen werden die Signale von den Satelliten von Teams von Experten mit Netzwerken von Atomuhren am Boden verglichen und mehrmals täglich korrigiert.

Daher hat das GPS-System eine unglaubliche Langzeitstabilität. Leider ist aufgrund atmosphärischer Störungen die Kurzzeitstabilität nicht so gut.

TXCO und OCXO, oft mit einem Rubidium-Backup, können mit dem GPS-Signal synchronisiert werden, um eine Kombination aus Kurz- und Langzeitstabilität zu einem relativ niedrigen Preis zu erreichen.

Zusätzlich liefert das GPS Ihnen das Datum und die Uhrzeit, nicht nur das Zeitmessungssignal, und funktioniert somit sowohl als Uhr als auch als Echtzeituhr (RTC).

Parameter	Wert
Stabilität (je niedriger, desto besser)	10^-13 (langfristig)
Einstellbarkeit	-
Frequenzbereich	Nur 10Mhz
Kosten	50-2000USD

Cäsium, Wasserstoffmaser und andere teure Atomuhren

 

Ein Wasserstoffmaser wird Sie wahrscheinlich über hunderttausend Dollar kosten, aber Cäsium-Atomuhren sind billiger geworden und befinden sich mittlerweile routinemäßig in vielen angemessen großen Datenzentren. Viele Datenzentren können keine GPS-geregelten Oszillatoren verwenden, da sie anfällig für Störungen sind und aufhören könnten zu funktionieren, falls die USA Krieg erklären würden.

Der Wasserstoffmaser ist der einzige "echte und direkte" Oszillator unter allen kommerziell verfügbaren Atomuhren und daher auch kurzfristig extrem zuverlässig, während Cäsium und Wasserstoff immer noch eine Art sekundären Oszillator im Inneren benötigen, der mit der primären Zeitreferenz synchronisiert ist.

Parameter	Wert
Stabilität (niedriger ist besser)	10^-14 für H Maser
Abstimmbarkeit	-
Frequenzbereich	Nur 10Mhz
Kosten	5000-500000USD

Schlussfolgerungen

 

Wir haben alle verfügbaren Taktquellen auf dem Markt besprochen. Hoffentlich hat Ihnen dieser Artikel ein besseres Verständnis für die Vor- und Nachteile jeder Lösung vermittelt.

Taktquellen sind die seltene Art von Komponenten, deren Auswahl tiefgreifende Auswirkungen auf die Stabilität und Leistung Ihres Systems haben kann, insbesondere wenn Sie mehrere Teil-Schaltungen aus einem einzigen Taktsignal integrieren oder mit externen Ressourcen kommunizieren. Zum Beispiel muss jedes moderne Gerät, das über verschlüsselte Protokolle wie TLS oder andere private/öffentliche Schlüsselverschlüsselungsschemata kommuniziert, eine genaue Zeitmessung haben. Verlieren Sie diese, kann Ihr Gerät nicht mehr mit den Servern kommunizieren.

Ebenso können ungenaue RC-Uhren in digital-analogen Designs die Leistung der verbundenen ADCs und DACs verändern, insbesondere bei SAR (Successive Approximation Register) ADCs und Delta-Sigma ADCs und DACs.

Zusätzlich können Taktquellen oft launische Geräte sein. Verwenden Sie den falschen Kondensator, um einen Quarzkristall zu kompensieren, oder wählen Sie einfach einen mit einem hohen Temperaturkoeffizienten, und Ihr Gerät wird zwischen defekt und unzuverlässig schwanken.

Das präzise Auswählen und Verfolgen von Komponenten, um sicherzustellen, dass nur der passende Oszillator und der geeignete Kondensator auf Ihren Platinen verbaut werden, ist von größter Wichtigkeit. Um dies zu erreichen, müssen Sie zwei Dinge tun.

• Stellen Sie sicher, dass eine ordnungsgemäße Revision und Freigabeverwaltung Ihrer Projekte erfolgt.
• Stellen Sie sicher, dass jede Komponente im BOM (Stückliste) angemessen identifiziert ist.

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In diesem Beispiel habe ich einen meiner Lieblingskristalle gesucht, Abracom’s ABM3B-16.000MHZ-B2-T im Herstellerteilsuchfeld (untere rechte Ecke in Altium Designer®). Wie Sie vielleicht bemerkt haben, enthält die Komponente bereits Footprint, Symbol, Datenblatt, vollständige Beschreibungen sowie Hersteller und Herstellerteilenummer. Mit drei Klicks (Rechtsklick, erwerben, OK) kann die Komponente in Ihren Concord Pro Server importiert werden und sich ihren Brüdern und Schwestern in Ihrer Bibliothek anschließen.

Die auf Ihrem Schaltplan platzierte Komponente wird nun durch ein einzelnes Hersteller/MPN-Paar identifiziert. Wenn Sie weitere alternative Teile hinzufügen möchten, kann dies über den Abschnitt Teileauswahl beim Bearbeiten der Komponente erfolgen.

Ihr Projekt muss ebenfalls verwaltet werden, um die vollständige Nachverfolgbarkeit zu gewährleisten, wie in einem vorherigen Artikel besprochen. In diesem Beispiel benötigt die Migration von Mark Harris’ Fan Controller-Projekt in die Cloud nur ein paar Klicks.

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