Auf Schlagdistanz Keramikresonatoren vs. Quarzoszillatoren

Keramikresonatoren waren schon immer kosteneffektiver als Oszillatoren auf Quarzbasis – aber leider auch weniger leistungsfähig. Neue Entwicklungen in den Bereichen Werkstoffe und Herstellung haben in den letzten Jahren dafür gesorgt, dass der Performance- Rückstand moderner Keramik gegenüber Quarzen immer weiter schrumpfte. Heute sind Keramikresonatoren »auf Schlagdistanz« zu den Quarzoszillatoren – auch bei Anwendungen im Automobil.

Zwar durften Keramikresonatoren auch schon früher das Taktsignal für Mikrocontroller im Automobilbereich bereitstellen, aber nur, wenn es in erster Linie um Kosten ging, weniger jedoch um Genauigkeit und Platzbedarf. Allerdings ist die Entwicklung bei den Materialien und Prozesstechnologien nicht stehen geblieben, und so haben Keramikresonatoren inzwischen ein Performance- Niveau erreicht, mit dem sie sich auch in Kfz-Bordnetzwerken einsetzen lassen.

Bei derartigen »Automotive LANs« (Local Area Networks) handelt es sich meist um einen CAN-Bus, der eine Reihe elektronischer Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) miteinander verbindet. Ein CAN-Bus toleriert grundsätzlich keinen großen Jitter, und durch den großen Temperaturbereich, der für Applikationen im Kfz charakteristisch ist, wird die Situation noch komplizierter. Zu den weiteren Anwendungen, in denen Timing-Bausteine im Auto zum Einsatz kommen, gehören Empfänger für schlüssellose Zugangssysteme, bei denen es im Interesse einer langen Batterielebensdauer auf eine kurze Betriebszeit ankommt.

Sowohl bei Quarzen als auch bei keramischen Werkstoffen ist der piezoelektrische Effekt zu beobachten. Liegt ein elektrisches Feld an, verformen sich diese Materialien. Sobald das elektrische Feld nicht mehr anliegt, nehmen sie ihre ursprüngliche Form wieder an, wobei sie eine elektrische Spannung erzeugen. Die so hervorgerufene Vibration generiert ein elektrisches Signal mit genau festgelegter Amplitude und Frequenz, das sich als stabiles Taktsignal verwenden lässt. Dabei gibt der elektromechanische Kopplungsfaktor an, mit welcher Effizienz die Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie im jeweiligen piezoelektrischen Material erfolgt. Dieser Wert ist bei Keramik um den Faktor 4 bis 5 höher als bei Quarzwerkstoffen.

Keramikresonatoren liefern also bei gleicher Treiberspannung ein Signal mit vier- bis fünfmal höherer Amplitude. Somit können sie auch bei festerer Montage einen hinreichenden Signalpegel generieren, sodass sie weniger empfindlich gegen Beschädigung durch Stöße und Vibrationen sind.

 Anlaufzeit fast zwanzigmal kürzer

Unter der Anlaufzeit versteht man die Zeitspanne, die nach dem Anlegen der Treiberspannung vergeht, bis die Oszillation 90% ihrer volle Amplitude erreicht hat. Die Anlaufzeit ist ein überaus wichtiger Kennwert für Oszillatoren, die in HF-Empfängern für schlüssellose Zugangssysteme zum Einsatz kommen sollen. Derartige Empfänger, die sich aus der Fahrzeugbatterie speisen, sind nicht ständig in Betrieb, sondern werden nur in gewissen Intervallen aktiviert, um zu prüfen, ob ein Signal vom zugehörigen Schlüsselsender vorliegt.

Auf den ersten Blick erscheint es nicht plausibel, dass ein solch kleiner Empfänger die vergleichsweise große Fahrzeugbatterie entladen kann, doch bei einem wochenlang abgestellten Auto fällt auch der zugegebenermaßen sehr geringe Stromverbrauch dieses winzigen Empfängers ins Gewicht. Es gilt deshalb, die Zeitspannen, in denen der Empfänger im Betrieb ist, so kurz wie möglich zu halten. Dabei ist eine kurze Anlaufzeit wichtig, da ein System, welches sich im Sleep-Modus befindet, sofort einsatzbereit sein muss, wann immer es ein Signal empfängt.

Keramikresonatoren laufen fast zwanzigmal schneller hoch als Quarzresonatoren. Jüngst durchgeführte Tests ergaben für einen typischen Quarzresonator eine Anlaufzeit von zirka 0,78 ms. Der Vergleich dieses Wertes mit der Anlaufzeit eines Keramikresonators der Familie »Ceraclock« von Murata mit gleicher Oszillationsfrequenz offenbart einen erheblichen Unterschied (Bild 1): Bei diesem beträgt der entsprechende Wert nur 0,04 ms.

Verbesserungen bei den Verarbeitungsverfahren und die Entwicklung neuer Werkstoffe haben es möglich gemacht, SMD-Keramikresonatoren im 0805- Format (3,2 mm x 1,2 mm) anzubieten. Damit sind Keramikresonatoren nur ungefähr halb so groß wie entsprechende Quarzbauteile. Hinzu kommt, dass die meisten Keramikresonatoren bereits über eingebaute Lastkondensatoren verfügen. Da sie damit auch die beiden für eine Colpitts- oder Pierce-Oszillatorschaltung benötigten Kondensatoren enthalten, verringern sich der Platzbedarf und der Bauteileaufwand zusätzlich.

In Quarzoszillatorschaltungen kommt häufig ein externer Widerstand zum Schutz vor Überspannungen zum Einsatz, die zu einem Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes führen könnten. Da dieses Risiko bei Keramikresonatoren nicht besteht, lässt sich der Bauteileaufwand durch Verzicht auf den Schutzwiderstand weiter verringern.