XTAL (Quarz )

Ein Quarz (XTAL) ist ein Kristall. In der Elektronik und Kommunikationstechnik werden Quarze für die Generierung und Selektion von Frequenzen in Oszillatoren und Filtern verwendet, da sie sich durch eine hohe Temperaturstabilität und ein geringes Phasenrauschen auszeichnen.

Quarz mit einer Frequenz von 3,579545 MHz und Schaltzeichen, Foto: Schuricht GmbH

Quarze haben zwei, nahe beieinander liegende Resonanzfrequenzen. Bei der unteren verhält sich der Quarz wie ein Reihenschwingkreis, bei der oberen wie ein Parallelschwingkreis. Beide Resonanzfrequenzen zeichnen sich durch unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Stabilität aus. Bedingt durch die extrem hohen Werte für die Induktivität ergeben sich hohe Gütefaktoren, die mit konventionellen Schaltungen nicht realisierbar sind.

Schaltzeichen und Ersatzschaltbild des Quarzes

Quarze werden in einem bestimmten Schnitt aus geeigneten Kristallen herausgeschnitten und verändern bei Anlegen einer Spannung ihre Form. Mit diesem als Piezo-Effekt bekannten Phänomen kann elektrische Energie in mechanische umgewandelt werden und mechanische in elektrische. Da die Schwingungen sehr konstant sind und eine hohe spektrale Reinheit aufweisen, werden Quarze wegen ihrer geringen Dämpfung und hohen Langzeitkonstanz als Resonanzglieder in Filtern und Oszillatoren eingesetzt. Der Frequenzbereich von Quarzen liegt zwischen 100 kHz und etwa 200 MHz und darüber.

Temperaturkoeffizienten von Quarzen mit leicht modifizierten AT-Schnitten

Der Quarzschnitt bestimmt die Eigenschaften des Quarzes in Bezug auf dessen Frequenzstabilität und Temperaturkoeffizient. Die bekanntesten Schnitte sind der AT-, BT- und SC-Schnitt. Daneben gibt es viele weitere Quarzschnitte wie den CT-, DT-, MT, H-, NT, XY-Schnitt. Die Dicke des Schnittes bestimmt die Resonanzfrequenz: Je dünner der Quarzschnitt desto höher dessen Resonanzfrequenz. An beide Seiten eines Schnittes wird eine Elektrode für den elektronischen Kontakt angeschlossen. Über diese wird die Quarzfrequenz abgenommen. Neben der Grundwelle, der 1. Harmonischen, erzeugt der Quarz auch Oberwellen, der 3., 5., 7. und weiteren Harmonischen.

Der in der HF-Technik am häufigsten benutzte Quarzschnitt ist der AT-Schnitt. Quarze mit diesem Schnitt haben einen Temperaturkoeffizienten mit einer kubischen Kurvenform, dessen Minima als Arbeitspunkt für Oven Controlled Crystal Oscillators (OCXO) benutzt werden. Die Kurvenauslenkung kann durch minimale Änderung des Schnittwinkels beeinflusst werden.

Die Frequenzstabilität von Quarzen liegt zwischen <1 ppm und 100 ppm, das Phasenrauschen bei bis zu -150 dBc/Hz.