MEMS-Oszillatoren

Adäquater Ersatz für Quarzoszillatoren

MEMS-Resonatoren sind viel kleiner als herkömmliche Quarzkristalle. Zudem produzieren sie die Hersteller mit Standardverfahren der Siliziumfertigung, und dies mit Submikrometer- und Nanometer-Genauigkeit. Die Firma SiTime nutzt die Vorzüge dieser Technik, um unter anderem die weltweit kleinsten MOs, VCMOs, TCMOs, Oszillatoren mit Differenzausgang, Spread-Spectrum-Oszillatoren und Taktgeneratoren herzustellen.

MSC Vertriebs GmbH 

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MEMS-Resonatoren kommen in Oszillatoren zum Einsatz, sind dabei nur den Bruchteil eines Millimeters groß und schwingen im MHz-Bereich.

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MEMS-Resonatoren kommen in Oszillatoren zum Einsatz, sind dabei nur den Bruchteil eines Millimeters groß und schwingen im MHz-Bereich.

Generell stehen dem Anwender, je nach Applikation, mehrere unterschiedliche Komponenten für die Takt- und Frequenzerzeugung zur Verfügung: beispielsweise Resonatoren, Oszillatoren und Taktgeneratoren.

Ein Resonator ist in aller Regel ein mechanisch schwingendes Bauelement, das aufgrund der physikalischen Dämpfung eines jeden reellen Systems für den Erhalt der Schwingung eine Zusatzschaltung zur gezielten Energiezufuhr benötigt. Diese Energiezufuhr stellt der Oszillatorschwingkreis sicher. Darüber hinaus ist dieser Schwingkreis für die Signalform des Ausgangssignals verantwortlich.

In handelsüblichen Oszillatoren wird der Oszillatorschwingkreis in einem Halbleiter-IC realisiert. Ein Oszillator besteht somit aus einem Resonator, einem Schwingkreis sowie einem Gehäuse mit vier oder sechs Anschlüssen und stellt lediglich ein festes Ausgangsignal zur Verfügung. Ein Taktgenerator schließlich ist ein vergleichsweise großes Bauelement, das einen externen Referenzoszillator benötigt und normalerweise einen oder mehrere Phasenregelkreise (Phase Locked Loop, PLL) enthält, um eine oder mehrere unabhängige Taktausgänge zu erzeugen. In allen Fällen muss die Taktquelle genau sein – die Frequenz muss also konstant bleiben – und eine gute Signalqualität aufweisen. Letzteres bedeutet, dass es neben der Signalform, dem Tastverhältnis sowie den Anstiegs- und Abfallzeiten auch auf ein möglichst geringes Phasenrauschen bzw. Jitter-Verhalten ankommt

Bis dato wird bei den meisten Taktsignalquellen noch immer eine Referenz mit einem Quarzkristall verwendet, die in vielen Fällen  in Bezug auf Stabilität und Signalqualität auch durchaus den geforderten Ansprüchen genügt. Parallel dazu gibt es aber auch eine große Zahl von Anwendungen, in denen der Einsatz mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) in Verbindung mit einer Oszillatorschaltung wesentlich vorteilhafter erscheint. MEMS-Resonatoren sind nur den Bruchteil eines Millimeters groß und schwingen im MHz-Bereich.

Die neuen, mit MEMS-Oszillatoren bestückten Schaltungen sind viel flexibler als klassische Quarzoszillatoren und verfügen über verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten, die zur Anpassung der Bauelemente an die jeweiligen Applikationen genutzt werden können. Noch wichtiger ist jedoch, dass sie Vorteile bei der Vereinfachung der Zuliefererkette bieten: zum Beispiel dadurch, dass sie mit viel kürzeren Vorlaufzeiten als Quarzoszillatoren – in der Praxis bedeutet dies rund 50 % kürzere Lieferzeiten – herstellbar sind und dass ein einziges Basis-Bauelement für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen ausreicht. Dadurch lassen sich übrigens auch erhebliche Qualifikationskosten einsparen, weil der MEMS-Baustein nur einmal für eine ganze Bandbreite von Frequenzen qualifiziert werden muss. Der Quarzoszillator hingegen erfordert für jede individuelle Frequenz eine entsprechende Freigabe und Qualifikation, da der Quarz mechanisch verändert wird und der Schwingkreis entsprechender Anpassung bedarf.

War in der Vergangenheit der Einsatz von  MEMS-Oszillatoren auf Marktsegmente wie Computer, Speicher, Consumer, Industrie, Medizin und Automotive beschränkt, so hält die die neueste Generation von MEMS-Resonatoren auch in High-End Netzwerk- und drahtlosen Kommunikationsapplikationen Einzug. Mit der erst kürzlich vorgestellten Encore-Platform ist es SiTime gelungen, das Jitter und Phasenrauschverhalten um bis zu 20 dB zu verbessern. Damit können erstmals neben unterschiedlichsten Wireless/RF-Applikationen inklusive GSM und WiFi auch Segmente wie 10-Gbit/s-SONET bedient werden. Ausgeschlossen sind bis dato immer noch z.B. LTE-, Radar- oder High-End-GNSS-NAV-Anwendungen.

Allerdings ist die Entwicklung im Bereich der MEMS-Oszillatoren noch lange nicht abgeschlossen, und so darf in den kommenden Jahren mit weiteren, signifikanten Verbesserungen gerechnet werden.

1. Teil: Adäquater Ersatz für Quarzoszillatoren
2. Teil: Standarisierte Herstellprozesse für MEMS-Resonatoren

Weiterführende Links:

• MSC/SiTime: Energieeffiziente MEMS-Oszillatoren
• Kleine SMD-OCXOs für Femtocell-Base-Stations sind ein Trend: Quarzoszillatoren: Verbessertes Phasenrauschen, geringere G-Sensitivity
• Fallstudie zur Analyse einer Quarzoszillatorschaltung: Wie ist ein Ausbeuteproblem zu beheben?
• Oszillatoren im Vergleich: Quarz oder CMOS?