Oszillatoren MEMS-Taktgeber auf dem Vormarsch

Oszillatoren auf MEMS-Basis bieten verlockende Vorteile bei Schockfestigkeit, Baugröße und Verarbeitung. Bis vor kurzem schienen die Bauteile ihren Quarz-Pendants allerdings hinsichtlich Phasenrauschen und Temperaturstabilität hoffnungslos unterlegen. Das hat sich inzwischen jedoch grundlegend geändert.

Seit den 1940er-Jahren bilden Quarze das Fundament von Oszillatoren und Taktgeber-Schaltungen, denn Quarzmaterial weist als Resonator eine hohe Temperaturstabilität und ein sehr geringes Phasenrauschen auf. Vor allem wegen der relativ großen Bauform im aufwändigen Metallbecher oder im Keramikgehäuse versuchen viele Unternehmen jedoch seit den frühen 1980er-Jahren Quarze durch Silizium-Oszillatoren auf MEMS-Basis (Micro Electro-Mechanical Systems, elektromechanische Mikrosysteme) als Frequenzreferenz in Takt- und Timing-Schwingkreisen zu ersetzen.

Entwicklungsschritte in der Halbleiterprozesstechnik, im Packaging und der Schaltkreisintegration haben einigen Fortschritt für MEMS-Resonatoren gebracht. Diese erzeugen eine Zeitbasis oder eine Frequenz-referenz nach einem ähnlichen Funktionsprinzip wie die mechanische Stimmgabel für Musikinstrumente. Ein separater elektronischer Oszillator erzeugt einen Impuls, der die MEMS-Struktur anregt, mit einer präzisen Frequenz zu schwingen. Diese Schwingungen werden von einem Pufferverstärker erfasst und ausgegeben, und eine PLL (phase-locked loop) rastet auf das von der Resonator/Oszillator-Kombination erzeugte Referenzsignal ein und verteilt es weiter.

Besonders vielversprechend ist die Integrationsfähigkeit von MEMS-Resonatoren in IC-Timingschaltungen. Weil sie mit üblicher Ätztechnik in Silizium gefertigt werden, lassen sich MEMS theoretisch zusammen mit Oszillatorschaltkreisen und PLLs auf demselben Siliziumsubstrat kombinieren, in der Praxis gehen die meisten Hersteller heute allerdings noch den Weg einer Multi-Chip-Lösung, bei der MEMS-Resonator und Oszillatorschaltung als separate Chips gefertigt werden. Aber auch diese Kombination findet in einem einzigen, kompakten Halbleitergehäuse Platz, das sich mit üblichen Techniken der Serienfertigung assemblieren lässt und deutlich kleiner ist als die für Quarzoszillatoren heute noch oft verwendeten Metallbecher.

Feuchtigkeit ist die Achillesferse der MEMS-Oszillatoren, denn Feuchtigkeit kann während des Betriebs auf dem winzigen Resonator kondensieren, die Schwingmasse deutlich verändern und so die Schwingfrequenz unvorhersehbar stark verstimmen. Es kommt also darauf an, Feuchtigkeit im Fertigungsprozess zu vermeiden und vor allem die fertige MEMS-Mikrostruktur hermetisch zu versiegeln, um nachträgliches Eindringen von Feuchte, anderen Gasen und Partikeln zuverlässig zu verhindern.

Als Spezialist für MEMS-Oszillatoren löst der Bosch-Spinoff SiTime dieses Problem mit einem »MEMS-first«-Fertigungsprozess, bei dem die MEMS-Kavität im Silizium bei extrem hohen Temperaturen versiegelt wird, bevor die übrigen Strukturen entstehen. Diese hohen Temperaturen sorgen dafür, dass keinerlei Feuchtigkeit oder gasförmige Verunreinigungen innerhalb des Siegels gelangen können. Dagegen versiegelt beim »MEMS-last«-Prozess eine Glaskappe den Wafer erst beim letzten Prozessschritt und bei relativ niedrigen Temperaturen.

MEMS-Oszillatoren für STRATUM3

Neben der vorteilhaften Prozesstechnik waren bisher vor allem die Unempfindlichkeit der Technik gegen äußere Einflüsse wie Schock (z.B. bis zu 50 000 g) und Vibration (bis zu 70 g) sowie die sehr kurzen Liefer-zeiten in der Größenordnung von 48 Stunden auch für exotische Frequenzen die Vorzüge der MEMS-Technik. Auf der anderen Seite galten noch Anfang 2011 die Temperaturstabilität und vor allem das Phasenrauschen als limitierender Faktor für diese Oszillatoren.

Mit den damals üblichen Werten konnten MEMS-Oszillatoren tatsächlich nur in wenigen Anwendungen mit reduzierten Anforderungen an die Güte des Taktsignals ihre Quarz-Pendants heranreichen. Mittlerweile haben die Anbieter jedoch speziell -bei diesen beiden Punkten gewaltige Fortschritte erzielen können. So gibt es mittlerweile MEMS-Oszillatoren, die mit einer Stabilität von 0,1 ppm sogar die STRATUM3-Spezifikationen erfüllen.

MEMS-TCXOs erreichen eine Frequenzstabilität von mit 0,5 ppm, und der interne Phasenjitter von in MEMS-Technologie gefertigten XOs, VCXOs und TCXOs liegt unter 1 ps bei 12 MHz bis 20 MHz. Zudem lassen MEMS-Oszillatoren einen um viele Größenordnungen breiteren Ziehbereich mit hoher Linearität zu. Im ersten Halbjahr hat SiTime unter anderem Spread-Spectrum-Oszillatoren auf MEMS-Basis neu vorgestellt, mit denen sich das EMV-Verhalten von Schaltungen deutlich optimieren lässt.

In zwei Gehäusevarianten (7,0 mm x 5,0 mm und 5,0 mm x 3,2 mm) erhältlich, eignen sich die Bausteine laut Hersteller als »Drop-in«-Ersatz für jeden gängigen quarzbasierten Oszillator. Im Frequenzbereich von 1 MHz bis 880 MHz bietet der »SiT9002« einen »Center-Spread« von ±0,125% bis ±2,0% und einen »Down-Spread« von -0,125% bis -4,0% an. Der Oszillator ist mit einer Stabilität von bis zu ±25 ppm im Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C verfügbar. Auch MEMS-Oszillatoren mit differenziellem Ausgang und einer Stabilität von bis zu ±10 ppm über einen Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C hat SiTime unlängst vorgestellt.

Die Bausteine vom Typ »SiT9121« und »SiT9122« lassen sich frei für Frequenzen zwischen 1 MHz und 220 MHz beziehungsweise 220 MHz bis 625 MHz programmieren und eigenen sich mit einem RMS-Phasenjitter von nur 500 fs laut Anbieter sehr gut für Anwendung im Rahmen von Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. In 5,0 mm x 3,2 mm und 7,0 mm x 5,0 mm großen Gehäusen sind auch diese Bauteile als Drop-in Ersatz für jeden Standard-Quarzoszillator einsetzbar.

Interessenten können die SiTime-Oszillatoren unter anderem über die Distributoren CompoTEK und MSC beziehen. MSC stellte kürzlich eine DCXO-Familie digital steuerbarer MEMS-Oszillatoren von SiTime vor, die mit Werten von unter 0,01% laut MSC eine 1000fach höhere Linearität des Ziehbereichs gegenüber herkömmlichen Quarz-VCXOs bietet.

Während diese für die Steuerung der Frequenz eine externe Spannung benötigten, könnten DCXO-Anwender die Ausgangsfrequenz von bis zu 220 MHz rein digital steuern. Dabei werde eine Ziehfähigkeit von ±25 ppm bis ±1600 ppm erreicht, die Frequenzauflösung betrage 1 ppb (Parts per Billion). Beim Einsatz von DCXOs könne zudem auf externe D/A-Wandler verzichtet werden, wodurch sich die Zahl der für die Schaltung benötigten Bauteile reduziere.

Die in den Industriestandard-Gehäusegrößen 3225, 5032 und 7050 lieferbaren DCXOs lassen sich wahlweise mit Spannungen von 1,8 V, 2,5 V oder bis zu 3,3 V betreiben. Das erste Modell »SiT3907« (Bild 1) verfügt über LVCMOS-Ausgänge, Varianten mit differenziellen Ausgängen sollen im Laufe des nächsten Jahres auf den Markt kommen. Ebenfalls bei MSC beziehbar sind Taktgeneratoren auf MEMS-Basis des Herstellers Vectron.

Bei den Serien »VM-702«, »VM-802« und »VM-822« gelang es, den periodischen Spitze-Spitze-Jitter auf unter 35 ps zu reduzieren und eine Frequenzstabilität von ±10 ppm bei -10 °C -bis +70 ºC beziehungsweise ±15 ppm bei -40 °C bis +85 °C Betriebstemperatur zu erreichen. Alle Bausteine sind für einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 460 MHz ausgelegt und wahlweise mit LVDS-, LVPECL- oder HCSL-Ausgängen konfigurierbar.

Der VM-702 ist in einem 7 mm x 5,0 mm x 0,87 mm großen QFN-Standardgehäuse untergebracht, Die Maße des VM-802 betragen 5 mm x 3,2 mm x 0,87 mm und die des VM-822 3,2 mm x 2,5 mm x 0,87 mm (Bild 2). Der Braunschweiger Distributor setron hat seit Juni das MEMS-Oszillatorenportfolio des US-amerikanischen Herstellers Discera im Lieferprogramm.

Dessen »PureSilicon«-Oszillatoren weisen ebenfalls Merkmale wie geringe Abmessungen, hohe Widerstandsfähigkeit, Robustheit und extreme Zuverlässigkeit im Vergleich zu Quarzoszillatoren auf und eignen sich damit laut Hersteller besonders für Low-Power-Designs sowie industrielle und militärische Anwendungen. Aufgrund der MEMS-Technik kann -der Distributor laut eigener Aussage selbst Muster mit der gewünschten Frequenz binnen Minuten programmieren und ausliefern.

Zusätzlich bietet setron Support bei der Programmierung individueller Frequenzen von Muster- oder Kleinmengen an. Und mit dem »TIMEFLASH Frequency Programming Kit« von Discera kann der Entwickler auch selbst ein auf Windows basierendes USB-Programmiergerät nutzen. Dabei werden Interfacetechnologien wie CMOS, LVPECL, LVDS und HCL unterstützt sowie alle Parameter der fest programmierten Produkte beibehalten.