4 Quarzoszillator

Quarzresonatoren werden mit zwei verschiedenen Methoden zu einem eigenständigen Oszillatorbaustein integriert; jede Methode bietet ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die erste Methode besteht darin, den Quarzresonator mit der Schwingungsschaltung zu kombinieren und einfach den Ausgangstreiber hinzuzufügen, um verschiedene Ausgangstypen zu unterstützen – solche Oszillatoren werden in der Regel als SPXO-Oszillatoren in einem einfachen Gehäuse bezeichnet.

Obwohl diese Lösung recht elegant ist und einen einfachen Aufbau, ein kleines Gehäuse und eine schnelle Startzeit (da es keine Kalibrierung gibt) bietet, ist der unterstützte Frequenzbereich sehr gering. Die Frequenzunterstützung ist ausschließlich vom verwendeten Quarzkristall abhängig. Um eine andere Ausgangsfrequenz zu unterstützen, muss ein anderer Quarz im Gehäuse montiert worden sein, da es keine Möglichkeit gibt, dies nachträglich zu ändern. Da die Frequenz des Quarzresonators umgekehrt proportional zur Dicke des Quarzes ist, sind Quarzresonatoren, die mit einer Grundfrequenz von über ~50 MHz arbeiten, eine Seltenheit, da sie äußerst schwierig zu handhaben und herzustellen sind. Eine gangbare Lösung besteht darin, mit einem ungeraden Oberton des Grundton zu arbeiten, zum Beispiel mit einem Oberton dritter Ordnung, was bedeutet, dass er mit dem 3-fachen der Grundfrequenz arbeitet. Wenn ein Quarzresonator mit dem dritten Oberton arbeitet, ist sein Widerstand etwa 3-mal so hoch wie der des Grundtons, während seine Kapazität fast neunmal geringer ist – beides Veränderungen, die sich stark auf den Ruhestrom und die Möglichkeit zum Tunen des Quarzresonators auswirken.

Ein weiteres Verfahren zur Quarzintegration besteht darin, den Quarz als Referenz auf eine PLL-Schleife mit einem VCO zu verwenden, der mit einer viel höheren Frequenz (normalerweise in GHz) arbeitet. Von dieser GHz-Frequenz kann dann ein einfacher Teiler und Ausgangstreiber die spezifische Ausgangsfrequenz bereitstellen, die für den jeweiligen Ausgangstyp erforderlich ist. Eine Fractional-Engine kann entweder in der PLL oder im Ausgangsteiler hinzugefügt werden, um die Anzahl der Frequenzen zu erhöhen, die von einem einzelnen IC unterstützt werden. Diese Quarzoszillatoren verfügen über ein Kommunikationsprotokoll (I2C oder SPI) zur einfachen Registerprogrammierung.

Diese Lösung ist zwar robust und flexibel, aber mit einem einzigen Silizium, das alle Frequenzen unterstützen kann, hat sie einige Nachteile. Da im Allgemeinen mehr Kernblöcke benötigt werden (PLL, Teiler usw.), führt dies zu einem größeren Gehäuse (5 mm × 3,2mm, 7mm × 5mm) und einem höheren Stromverbrauch (100+ mA). Schließlich führen die PLL-Kalibrierung und -sperre zu einer langsameren Startzeit, normalerweise von oder über 10 ms.

Die Kosten der Risikominimierung bei der Stromversorgung, da ein einziger Halbleiterbaustein alle potenziellen Frequenzen durch verschiedene Programmierungen unterstützt, sind hinsichtlich Größe, Stromverbrauch und Anlaufzeit offensichtlich.