Ein Oszillator erzeugt ein periodisches Signal, ohne dass eines hineingeht. In modernen Funkgeräten arbeiten meist mehrere davon - sie liefern Referenz-, Misch- und Taktfrequenzen und bestimmen damit wesentlich, auf welcher Frequenz gesendet und empfangen wird.
Was ist ein Oszillator?
Kurz gesagt: Ein Oszillator erzeugt selbstständig ein periodisches Ausgangssignal. Bei den im Funkgerät üblichen sinusförmigen Bauformen wird dazu ein Teil des Ausgangssignals phasenrichtig auf den Eingang eines Verstärkers zurückgeführt. Ein frequenzbestimmendes Netzwerk - ein Schwingkreis, ein RC-Glied oder ein Quarz - legt die Frequenz fest, während der Verstärker die Verluste ausgleicht.
Diese Beschreibung deckt nicht jeden Oszillator ab. Daneben gibt es Bauformen, die sich nicht sinnvoll als Verstärker mit Rückkopplungsnetzwerk lesen lassen: Relaxationsoszillatoren, die zwischen zwei Zuständen hin- und herkippen, Ringoszillatoren aus hintereinandergeschalteten Invertern und Schaltungen mit negativem Widerstand.
Nein. Ein Schwingkreis ist passiv: Er speichert Energie und gibt die Frequenz vor, aber jede angestoßene Schwingung klingt durch Drahtwiderstand, Skin-Effekt und Kondensatorverluste ab. Erst das aktive Element mit Rückkopplung macht daraus einen Oszillator - es liefert genau die Energie nach, die pro Schwingung verloren geht.
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Wie ein Oszillator anschwingt
Die naheliegende Frage zuerst: Woher kommt das allererste Signal, wenn keines hineingeht?
Aus winzigen Störungen. Am Eingang jedes Verstärkers liegt thermisches Rauschen, ein breitbandiges Gemisch aller Frequenzen; dazu kommen der Einschaltvorgang, Sprünge der Betriebsspannung und die Anfangsbedingungen der Bauteile. Das frequenzbestimmende Netzwerk hebt daraus die Anteile nahe seiner Resonanzfrequenz stärker an als alle anderen, und der zurückgeführte Anteil wird erneut verstärkt. Die Amplitude wächst, bis Nichtlinearitäten oder eine Amplitudenregelung das weitere Wachstum begrenzen. Wie lange das dauert, hängt von Frequenz, Güte und Schleifenverstärkung ab - von Bruchteilen einer Millisekunde bis zu mehreren Sekunden bei einem hochgütigen Quarz.
Damit das überhaupt anläuft, muss die Kleinsignal-Schleifenverstärkung beim Start größer als 1 sein - sonst stirbt die Anregung, statt zu wachsen. Im stationären Betrieb stellt sich für die maßgebliche Schwingung dagegen eine effektive Schleifenverstärkung von 1 ein. Im idealen linearen Modell wüchse die Amplitude sonst unbegrenzt; in einer realen Schaltung begrenzen Sättigung, Stromgrenzen oder eine Regelung sie ohnehin.
Die Schwingbedingung
Zusammengefasst lauten die beiden Bedingungen:
- Phasenbedingung: Das zurückgeführte Signal muss am Ausgangspunkt wieder gleichphasig ankommen - die gesamte Phasendrehung im Kreis beträgt null Grad oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360 Grad.
- Amplitudenbedingung: Der Betrag der Schleifenverstärkung ist im stationären Zustand gleich 1. Beim Anschwingen muss er darüber liegen.
Genau so steht es auch im Prüfungskatalog: Das Signal muss so verstärkt und phasengedreht werden, dass es gleichphasig und mit mindestens der gleichen Amplitude zum selben Punkt zurückkommt.
Sechs Prüfungsfragen zum Oszillator
Fragetext und Antwortmöglichkeiten entsprechen dem offiziellen Fragenkatalog der Bundesnetzagentur (3. Auflage, März 2024). Die Reihenfolge der Antworten wird bei jedem Aufruf neu gemischt und weicht deshalb vom Katalog ab. Nichts wird gespeichert, du kannst beliebig oft probieren.
AD613 Welche Bedingungen müssen zur Erzeugung ungedämpfter Schwingungen in Oszillatoren erfüllt sein?
- Das an einem Schaltungspunkt betrachtete Oszillatorsignal muss auf dem Signalweg im Oszillator so verstärkt und phasengedreht werden, dass es wieder gleichphasig und mit mindestens der gleichen Amplitude zum selben Punkt zurückgekoppelt wird.
- Die Grenzfrequenz des verwendeten Verstärkerelements muss mindestens der Schwingfrequenz des Oszillators entsprechen, und das entstehende Eingangssignal muss über den Rückkopplungsweg wieder gegenphasig zum Eingang zurückgeführt werden.
- Die Schleifenverstärkung des Signalwegs im Oszillator muss kleiner als 1 sein, und das entstehende Oszillatorsignal darf auf dem Rückkopplungsweg nicht in der Phase gedreht werden.
- Die Schleifenverstärkung des Signalwegs im Oszillator muss größer als 1 sein, und das Ausgangssignal muss über den Rückkopplungsweg in der Phase so gedreht werden, dass es gegenphasig zum Ausgangspunkt zurückgeführt wird.
AD610 Wie sollte ein Oszillator im Regelfall ausgangsseitig betrieben werden?
- Er sollte an eine Pufferstufe angeschlossen sein.
- Er sollte direkt an einen HF-Leistungsverstärker angeschlossen sein.
- Er sollte an ein passives Hochpassfilter angeschlossen sein.
- Er sollte an ein passives Notchfilter angeschlossen sein.
AD603 Wie nennt man einen temperaturkompensierten Quarzoszillator?
- TCXO
- OCXO
- VCO
- VFO
AD605 Welcher der angegebenen Oszillatoren hat die größte Frequenzstabilität?
- OCXO
- TCXO
- VCO
- XO
AD604 Welcher Oszillator ist für einen SSB-SDR-Sender im 3 cm Band geeignet?
- TCXO
- VCO
- LC-Oszillator
- RC-Oszillator
EF304 Der VFO eines Senders ist schwankenden Temperaturen unterworfen. Welche wesentliche Auswirkung könnte dies haben?
- Die Frequenz des Oszillators ändert sich langsam.
- Die Frequenz des Oszillators springt schnell zwischen verschiedenen Werten.
- Die Amplitude der Oszillatorfrequenz schwankt langsam.
- Die Amplitude des Oszillators springt schnell zwischen verschiedenen Werten.
Fünf dieser Fragen gehören zum Technikteil der Klasse A, EF304 zur Klasse E. Im Lernbereich übst du sie mit Fortschrittsspeicherung und persönlicher Auswertung.
RC-Oszillatoren
Für niedrige Frequenzen genügen Widerstände und Kondensatoren. Der bekannteste Vertreter ist der Wien-Brücken-Oszillator mit der Frequenz
$\displaystyle f_0 = \frac{1}{2\pi R C} \qquad (R_1 = R_2 = R,\ C_1 = C_2 = C)$
Die Formel gilt nur für den symmetrischen Fall mit gleichen Widerständen und gleichen Kondensatoren. Bemerkenswert ist die nötige Verstärkung: Bei dieser Frequenz kommt aus dem positiven Rückkopplungszweig idealerweise nur ein Drittel der Spannung zurück, der Verstärker braucht im stationären Betrieb also den Faktor 3. Zum sicheren Anschwingen liegt er zunächst etwas darüber, die Amplitudenregelung führt ihn anschließend auf den benötigten Wert zurück.
LC-Oszillatoren: Hartley, Colpitts und Clapp
Für Hochfrequenz übernimmt ein Schwingkreis die Frequenzbestimmung. Die drei klassischen Schaltungen unterscheiden sich nur darin, wie das Signal für die Rückkopplung abgegriffen wird:
| Schaltung | Abgriff | Besonderheit |
|---|---|---|
| Hartley | Induktiver Spannungsteiler - angezapfte Spule oder zwei Induktivitäten | Braucht eine Spulenanzapfung, was bei hohen Frequenzen unpraktisch wird |
| Colpitts | Kapazitiver Spannungsteiler aus zwei Kondensatoren | Keine Anzapfung nötig, dafür bestimmen C1 und C2 gemeinsam die Frequenz |
| Clapp | Wie Colpitts, plus ein Kondensator in Reihe zur Spule | Der zusätzliche Kondensator liegt im Resonanzzweig und dominiert die Frequenz, sobald er klein genug ist |
Beim Colpitts wirkt die Reihenschaltung der beiden Teilerkondensatoren als Kreiskapazität:
$\displaystyle C_{eff} = \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2} \qquad f = \frac{1}{2\pi\sqrt{L \cdot C_{eff}}}$
Der Clapp ist eine Variante des Colpitts: Zum Schwingkreis kommt ein Kondensator in Reihe zur Spule. Ist er deutlich kleiner als die wirksame Kapazität des Colpitts-Teilers, bestimmt er die Resonanzfrequenz weitgehend allein, während die Rückkopplung weiter über den kapazitiven Teiler läuft. Beim Abstimmen über diesen Kondensator bleibt das Teilerverhältnis unverändert, und der Einfluss von Transistor- und Streukapazitäten auf die Frequenz sinkt. Das macht ihn frequenzstabiler, gerade bei hohen Frequenzen.
Der Quarzoszillator
Ein Schwingquarz ist mechanisch ein schwingendes Plättchen und elektrisch ein Resonator mit außergewöhnlicher Güte. Sein Ersatzschaltbild besteht aus einem Reihenkreis - dynamische Induktivität, dynamische Kapazität und Verlustwiderstand - und einer dazu parallelen statischen Kapazität aus Elektroden und Gehäuse.
Ein Quarz hat zwei Resonanzen: die Serienresonanz des dynamischen Zweiges und, etwas darüber, die Parallelresonanz unter Mitwirkung der statischen Kapazität. Sie liegen dicht beieinander; wie dicht, hängt vom Verhältnis der dynamischen zur statischen Kapazität ab und steht im Datenblatt. Dazwischen verhält sich der Quarz induktiv.
Genau diesen Bereich nutzen parallelresonante Oszillatorschaltungen zusammen mit einer äußeren Lastkapazität. Es gibt aber auch serienresonante Schaltungen, die den Quarz nahe seiner Serienresonanz betreiben - der induktive Bereich ist also nicht der einzig mögliche Arbeitspunkt.
Ist ein Quarz für den Betrieb mit Lastkapazität spezifiziert, nennt sein Datenblatt einen Wert $C_L$: die äußere Kapazität, bei der er genau die aufgedruckte Frequenz erreicht. Weicht die Schaltung davon ab, stimmt die Frequenz nicht mehr mit dem Aufdruck überein. Bei serienresonant spezifizierten Quarzen steht dort statt einer Zahl der Hinweis "series". Die beiden Kondensatoren einer Pierce-Schaltung sind übrigens nicht einfach je so groß wie $C_L$, sondern liegen für den Quarz in Reihe:
$\displaystyle C_L \approx \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2} + C_{stray}$
Die Pierce-Schaltung
In vielen Mikrocontrollern und digitalen Taktgeneratoren steckt eine Pierce-ähnliche Schaltung: der Pierce-Oszillator. Vereinfacht gezeichnet ist es ein invertierendes Gatter mit dem Quarz im Rückkopplungszweig, zwei Kondensatoren gegen Masse und einem hochohmigen Widerstand, der das Gatter in seinen linearen Arbeitspunkt zieht. Integriert steckt dahinter meist kein Logikgatter, sondern ein invertierender Verstärker, der im linearen Bereich arbeitet. Kein Übertrager, keine Spule - deshalb lässt sich die Schaltung billig auf den Chip bringen.
XO, VCXO, TCXO, OCXO und GPSDO
| Kürzel | Bedeutung | Prinzip |
|---|---|---|
| XO | Quarzoszillator | Einfachste Form, ohne Kompensation |
| VCXO | Spannungsgesteuerter Quarzoszillator | Frequenz über eine Kapazitätsdiode in Grenzen ziehbar |
| TCXO | Temperaturkompensierter Quarzoszillator | Zusätzliche Bauelemente gleichen den Temperaturgang aus |
| OCXO | Quarzoszillator im Thermostat | Geregelte Heizung hält den Quarz auf konstanter Temperatur |
| GPSDO | An Satellitensignale angebundener Oszillator | Regelt einen Quarz- oder Ofenoszillator langfristig an die aus Satellitensignalen gewonnene Zeit- und Frequenzreferenz nach |
Bei der Temperaturstabilität gilt für vergleichbare Standardausführungen die Reihenfolge XO, TCXO, OCXO - der Fragenkatalog fragt genau das ab. Der OCXO braucht dafür Strom für die Heizung und eine Aufwärmzeit. Der VCXO gehört nicht in diese Reihe: Sein Kennzeichen ist die elektrische Abstimmbarkeit, nicht eine bestimmte Stabilitätsklasse; die Kürzel lassen sich sogar kombinieren (etwa als temperaturkompensierter VCXO).
Der GPSDO verbindet die gute Kurzzeitstabilität eines lokalen Oszillators mit der Langzeitgenauigkeit der Satellitenreferenz - deshalb steht er in Contest- und Mikrowellenstationen als Hausnormal.
Zahlen dazu gehören ins Datenblatt, nicht in eine Faustregel: Einfache Quarzoszillatoren liegen je nach Ausführung häufig bei einigen bis einigen Dutzend ppm, hochwertige OCXO können deutlich unter 1 ppm spezifiziert sein - der unten verlinkte Abracon AOCJY7 etwa mit ±0,05 ppm über den Betriebstemperaturbereich.
Davon zu unterscheiden ist der VFO, der frei abstimmbare Oszillator. Er ist beweglich, aber empfindlich - und die häufigste Ursache dafür, dass eine Frequenz im Betrieb wandert.
Frequenzdrift und ppm
Stabilität wird in ppm angegeben, also in millionstel Teilen. Die absolute Abweichung folgt daraus direkt:
$\displaystyle \Delta f = f_0 \cdot \frac{\text{ppm}}{10^6}$
Was das praktisch bedeutet, zeigt eine einzige Tabelle deutlicher als jede Erklärung. Alle Werte gelten für 1 ppm:
| Frequenz | Band | Abweichung bei 1 ppm |
|---|---|---|
| 10 MHz | Referenz | 10 Hz |
| 144 MHz | 2 m | 144 Hz |
| 1296 MHz | 23 cm | 1296 Hz |
| 10 GHz | 3 cm | 10 kHz |
Derselbe relative Fehler wird also mit steigender Frequenz absolut immer größer. Dazu kommt ein zweiter Effekt: Wird eine Referenzfrequenz intern mit dem Faktor $n$ vervielfacht, vervielfacht sich ihre absolute Abweichung ebenfalls mit $n$, während der relative Fehler in ppm gleich bleibt. Auf den Mikrowellenbändern steigen die Anforderungen an die Referenz deshalb deutlich. Ob ein einfacher Quarzoszillator noch genügt, hängt von Betriebsart, Spezifikation und zulässiger Abweichung ab - für schmalbandige Betriebsarten wie SSB reicht er in der Regel nicht. Im Fragenkatalog gilt für einen SSB-SDR-Sender im 3-cm-Band der TCXO als geeignete Antwort.
Was einen Oszillator in der Praxis stabil hält
Zwischen Schaltplan und stabilem Signal liegen ein paar Selbstverständlichkeiten, die es in sich haben:
- Pufferstufe. Ein empfindlicher Oszillator sollte möglichst wenig und vor allem gleichbleibend belastet werden. Deshalb gehört zwischen ihn und die nächste Stufe im Regelfall eine Pufferstufe, die ihn von wechselnden Lasten entkoppelt - sonst zieht jede Änderung dahinter die Frequenz mit.
- Saubere Betriebsspannung. Schwankt sie, wandert die Frequenz mit.
- Abstand zur Wärme. Endstufen und Spannungsregler heizen. Temperaturschwankungen zeigen sich als langsames Wandern der Frequenz - das ist das typische Erkennungsmerkmal eines Temperaturproblems gegenüber einem Kontaktfehler, der sprunghafte Änderungen macht.
- Mechanische Ruhe. Ein LC-Oszillator reagiert auf Erschütterung und auf jede Kapazitätsänderung in seiner Umgebung - auch auf eine Hand, die sich nähert.
Häufige Fehler
- Schwingkreis und Oszillator gleichsetzen
- Die Phasenbedingung vergessen und nur auf die Verstärkung schauen
- Das Barkhausen-Kriterium für einen vollständigen Stabilitätsnachweis halten
- Erwarten, dass die Schleifenverstärkung dauerhaft über 1 bleibt
- Den Oszillator ohne Pufferstufe direkt an die nächste Stufe hängen
- Einen Quarz ohne Beachtung der Lastkapazität einsetzen und sich über die Frequenzabweichung wundern
- Den Drive Level eines Quarzes überschreiten
- Auf Mikrowellenbändern mit einem einfachen Quarzoszillator arbeiten
- Mit einem gewöhnlichen passiven Tastkopf direkt in einen empfindlichen Schwingkreis gehen, statt an einem gepufferten Messpunkt oder mit einem kapazitätsarmen aktiven Tastkopf zu messen
Häufige Fragen
Was ist ein Oszillator?
Eine Schaltung, die selbstständig ein periodisches Signal erzeugt, ohne dass ein Eingangssignal anliegt. Bei den in der Funktechnik üblichen sinusförmigen Bauformen führt ein Verstärker dazu einen Teil seines Ausgangssignals phasenrichtig auf den Eingang zurück; ein frequenzbestimmendes Netzwerk legt die Frequenz fest, der Verstärker gleicht die Verluste aus. Daneben gibt es andere Bauformen wie Relaxations- und Ringoszillatoren oder Schaltungen mit negativem Widerstand.
Was ist der Unterschied zwischen Schwingkreis und Oszillator?
Ein Schwingkreis ist passiv und gibt nur die Frequenz vor; eine angestoßene Schwingung klingt durch die Verluste ab. Ein Oszillator enthält zusätzlich ein aktives Element mit Rückkopplung, das die Verluste laufend ausgleicht und die Schwingung dadurch aufrechterhält.
Woher kommt das erste Signal beim Anschwingen?
Aus dem thermischen Rauschen am Verstärkereingang, ergänzt durch den Einschaltvorgang. Das frequenzbestimmende Netzwerk greift daraus seine Resonanzfrequenz heraus, die dann bei jedem Umlauf weiter verstärkt wird, bis sich eine stabile Amplitude einstellt.
Warum muss die Schleifenverstärkung erst größer als 1 sein und später genau 1?
Beim Start muss die Kleinsignal-Schleifenverstärkung größer als 1 sein, damit die winzige Anfangsstörung anwachsen kann. Im stationären Betrieb stellt sich für die Schwingung eine effektive Schleifenverstärkung von 1 ein; im idealen linearen Modell würde die Amplitude sonst unbegrenzt weiterwachsen. Das Herunterregeln übernimmt meist die Nichtlinearität des aktiven Elements, das mit steigender Amplitude in die Sättigung gerät.
Was besagt das Barkhausen-Kriterium?
Dass der Betrag der Schleifenverstärkung gleich 1 sein muss und die gesamte Phasendrehung im Kreis null Grad oder ein Vielfaches von 360 Grad beträgt. Wichtig ist die Einschränkung: Diese Bedingung ist notwendig, aber nicht hinreichend. Aus ihrer Erfüllung folgt nicht, dass eine Schaltung tatsächlich stabil schwingt.
Was ist der Unterschied zwischen Hartley, Colpitts und Clapp?
Sie unterscheiden sich im Abgriff für die Rückkopplung. Der Hartley nutzt eine angezapfte Spule, der Colpitts einen kapazitiven Spannungsteiler aus zwei Kondensatoren. Der Clapp ergänzt den Colpitts um einen Kondensator in Reihe zur Spule; ist dieser deutlich kleiner als die wirksame Teilerkapazität, bestimmt er die Frequenz weitgehend allein, während die Rückkopplung weiter über den kapazitiven Teiler läuft - das macht ihn frequenzstabiler.
Warum ist ein Quarzoszillator so genau?
Weil ein Schwingquarz eine sehr hohe Güte hat. Für einen beispielhaften 10-MHz-Quarz mit 25 mH und 65 Ohm ergibt sich rechnerisch eine Güte von rund 24.000, während ein guter LC-Kreis nur einige Hundert erreicht. Ursache ist die Kombination aus hoher dynamischer Induktivität, extrem kleiner Kapazität und geringem Verlustwiderstand.
Was bedeutet die Lastkapazität eines Quarzes?
Sie gibt an, mit welcher äußeren Kapazität der Quarz genau die aufgedruckte Frequenz erreicht, und steht bei Quarzen, die für den Betrieb mit Lastkapazität spezifiziert sind, im Datenblatt. In parallelresonanten Schaltungen arbeitet der Quarz zwischen Serien- und Parallelresonanz, wo er sich induktiv verhält. Weicht die tatsächliche Schaltungskapazität von der angegebenen Lastkapazität ab, stimmt die Frequenz nicht mehr mit dem Aufdruck überein. Serienresonant spezifizierte Quarze tragen statt eines Zahlenwerts den Hinweis series.
Was bedeuten XO, TCXO und OCXO?
XO ist ein einfacher Quarzoszillator ohne Kompensation. Ein TCXO gleicht Temperatureinflüsse durch zusätzliche Bauelemente in der Schaltung aus. Ein OCXO hält den Quarz mit einer geregelten Heizung auf konstanter Temperatur und bietet von den dreien die höchste Frequenzstabilität.
Wie viel Hertz sind 1 ppm?
Das hängt von der Frequenz ab: 1 ppm entspricht 10 Hertz bei 10 Megahertz, 144 Hertz bei 144 Megahertz und rund 1,3 Kilohertz bei 1296 Megahertz. Derselbe relative Fehler wird mit steigender Frequenz absolut immer größer, weshalb Stabilität auf den Mikrowellenbändern besonders wichtig ist.
Wozu dient eine Pufferstufe hinter dem Oszillator?
Sie entkoppelt den Oszillator von der nachfolgenden Stufe. Ohne sie wirken Lastschwankungen direkt auf den Schwingkreis zurück und ziehen die Frequenz mit. Ein Oszillator sollte deshalb im Regelfall nicht direkt an einen Leistungsverstärker angeschlossen werden.
Woran erkennt man ein Temperaturproblem beim VFO?
An einem langsamen Wandern der Frequenz. Schwankende Temperaturen ändern die Werte der frequenzbestimmenden Bauteile allmählich, sodass die Frequenz driftet statt zu springen. Sprunghafte Änderungen deuten eher auf mechanische oder Kontaktprobleme hin.
Der Weg zum eigenen Sender
Oszillatoren sind der Taktgeber jedes Funkgeräts - und in Klasse A gehören Schwingbedingung, Frequenzstabilität und Oszillatortypen zum Pflichtstoff. 12db bringt dich mit dem offiziellen Fragenkatalog der Bundesnetzagentur durch alle drei Klassen, mit Erklärung statt Auswendiglernen.
Kostenlos mit dem Lernen beginnenQuellen:50ohm.de (DARC-Lehrgang): Oszillatorschaltungen · 50ohm.de: Temperaturkompensation von Oszillatoren (XO, TCXO, OCXO) · 50ohm.de: Spannungsgesteuerter Oszillator · Stabilitätskriterium von Barkhausen (mit Einschränkung) · Kent H. Lundberg (MIT): Barkhausen Stability Criterion · Wien-Robinson-Brücke und Amplitudenstabilisierung · Colpitts-Schaltung · Clapp-Schaltung · Schwingquarz: Ersatzschaltbild und Güte · Pierce-Schaltung · Microchip AN826: Crystal Oscillator Basics (PDF) · Abracon AOCJY7: Datenblatt eines OCXO (PDF). Die ppm-Werte sind nachgerechnet. Stabilitätsangaben sind Beispiele aus Herstellerdatenblättern und keine allgemeingültigen Klassenwerte - konkrete Bauteile können deutlich abweichen.