Quarze, Oszillatoren und Resonatoren

Frequenzgeber für jedes Anforderungsprofil

14. Januar 2016, 9:47 Uhr | Alfred Goldbacher

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Rauscharme Quarzoszillatoren im 100-MHz-Bereich

Quarze, Oszillatoren, Resonatoren Bilder 1 bis 10

Der Uhrenquarz KX-327NHF ist als AEC-Q200-qualifiziertes Bauteil für Automobilelektronik-Applikationen prädestiniert
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Mit der Schwingquarz-Serie XRCGB-F-A kann Murata einen Frequenzbereich von 24 bis 48 MHz abdecken
© Murata Elektronik
Die Oszillatoren der MCSO6-Serie können Arbeitstemperaturen bis 210 °C mühelos standhalten
© Micro Crystal

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Besonders rauscharme Quarzoszillatoren sind das Spezialgebiet der Firma Axtal, die 2003 aus der früheren Tele Quarz hervorging und in Mosbach nahe Heilbronn ihre Fertigung einrichtete. Diese ofengesteuerten Oszillatoren dienen in der Regel als Referenzquelle bei Mikrowellen-Frequenzaufbereitungen oder bei Radaranwendungen. Sie decken einen Frequenzbereich von 80 bis 125 MHz ab, wobei neben Standardfrequenzen wie 100, 120 und 125 MHz auch beliebig krumme Frequenzwerte angeboten werden können.

Modelle der Serie AXIOM35ULN (Bild 7) sind in einem Gehäuse der Größe 20 × 20 × 11,5 mm³ untergebracht und mit einem Grundrauschen von besser als –170 dBc/Hz bei 100 kHz Frequenz-Offset ausgewiesen. Ein Wert von besser als –180 dBc/Hz bei 100 kHz Frequenz-Offset indes wird mit der AXIOM5151-Serie in einem Gehäuse mit den Abmessungen 51 × 51 × 19 mm³ samt SMA-Buchse realisiert. Alle OCXO-Reihen werden in fünf verschiedenen Rauschklassen angeboten, sodass für jede Anwendung die passende – also kostengünstigste – Variante gewählt werden kann. Es gibt natürlich auch für diese spezielle Marktnische einen Wettbewerber, der – wie im Falle der Vectron International – lediglich 25 km entfernt einen seiner Europa-Standorte hat. Das jüngste Produkt im Hause Vectron trägt die Bezeichnung OX-305 und ist standardmäßig in einem hermetisch dichten Metallgehäuse der Größe 20 × 20 × 13 mm³ untergebracht. Die Ähnlichkeiten lassen sich fortsetzen, wenn man auch hier das Grundrauschen als Kenngröße einander gegenüberstellt: Bei 100 kHz Frequenz-Offset gelten hier –178 dBc/Hz als Vergleichs-Maß. Beeindruckend sind auch die Frequenzstabilitätswerte, die im Bereich von –20 bis +70 °C mit ±100 ppb und bei der erweiterten Spanne von –40 bis +85 °C mit ±200 ppb extrem niedrig ausfallen. Das Bauteil wird bei 12 V (DC) betrieben, wobei der Leistungsbedarf im stabilen Betriebszustand bei 25 °C mit 1,8 W angegeben ist. Während der Aufwärmphase, die rund 5 min dauert, steigt dieser Kennwert auf rund 4 W.

MEMS-Oszillatoren – Energiespar-Weltmeister

Die Firma SiTime als einer der Vorreiter bei MEMS-Oszillatoren war im November 2014 vollständig von der japanischen Fabless-Company MegaChips übernommen worden und erweitert seither ihr Portfolio an µPower-MEMS-Oszillatoren in Richtung Wearable-, IoT- und Mobil-Applikationen. Der SiT8021 – als erstes Produkt der Familie – nimmt deutlich weniger Leistung auf, ist dabei kleiner und wiegt auch weniger als herkömmliche Quarz-Oszillatoren. Smartwatches, Fitness-Armbänder, Tablets, Smartphones, portable Audiogeräte und Zubehörprodukte sollen dadurch eine höhere Batterielebensdauer erreichen. Mit einer Stromaufnahme von 60 µA (f = 3,072 MHz) liegt der SiT8021 (Bild 8) um 90 % unter der von quarzbasierenden Produkten. Das extrem kleine Gehäuse misst 1,5 × 0,8 mm² und bietet damit eine Größenersparnis um 40 %. Die Höhe von 0,55 mm ist um 45 % niedriger, und die Gewichtsersparnis macht bei einer Masse von 1,28 mg sogar 70 % aus. Die Ausgangsfrequenz beträgt zwischen 1 und 26 MHz, und mit seiner Betriebsspannung von 1,8 V eignet sich der SiT8021 für batteriebetriebene Anwendungen. Die spezielle Möglichkeit zur Programmierung der Ausgangs­treiberstärke ermöglicht verbesserte EMI-Eigenschaften und auch das Ansteuern mehrerer Lasten. Mit einem MTBF-Wert von 1140 Mio. Stunden (<1 FIT) bietet der Baustein einen 30-fachen Gewinn an Zuverlässigkeit.

Echtzeituhren geben den Takt vor

Epson produziert seit Jahren bereits frequenzgebende Produkte und bedient sich dabei u.a. eines als QMEMS (Quartz Microelectromechanical System) bezeichneten, Wafer-basierten Verfahrens, bei dem die Quarz-Chips mittels fotolithografischer Methoden und Ätzprozesse strukturiert werden. Bei diesem aus der Halbleiterfertigung stammenden Bearbeitungsverfahren kann der lokale Materialabtrag sehr präzise gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, dem Quarz-Chip eine dreidimensionale Struktur mit sehr genauen Abmessungen zu verleihen. Epson ist mit dieser Technik in der Lage, Grundton-Quarze mit herkömmlicher Struktur für Frequenzen von 1 bis 80 MHz sowie mit einer sogenannten invertierten Mesa-Struktur für Frequenzen von 80 bis 170 MHz herzustellen.

Entsprechende Quarze baut das Unternehmen aber nicht nur in seine Oszillatoren ein, sondern auch in Echtzeituhren (Real-Time Clocks, RTCs), die in Anwendungen für den Automobilsektor, Smart Meters, Internet Security, Funk- und Festnetz, Rechenzentren sowie Medizinelektronik-Applikationen verwendet werden. Zwei aktuelle Echtzeituhrenmodule namens RX8130CE (Bild 9) und RX8900CE RTC werden dabei mit einem Gehäuse der Größe 3,2 × 2,5 × 1 mm³ angeboten: Ersteres ist ein kostenoptimiertes Low-Power-Echtzeituhrenmodul (300 nA) mit optimierter Stromversorgungs-Umschaltung für aufladbare Batterien und arbeitet mit einer Präzision von 5±23 ppm bei 25 °C. Das RX8900CE indes bedient sich eines DTCXO (digitalen temperaturkompensierten Quarzoszillators), um eine Genauigkeit von ±5 oder ±3,4 ppm über den gesamten Betriebstemperaturbereich von –40 bis +85 °C zu gewährleisten. Seine Stromaufnahme liegt bei 700 nA, was dreimal niedriger ausfällt als bei konkurrierenden DTCXO-Echtzeituhren. Das Modul ist AEC-Q200-kompatibel und wird auf einer speziellen Automobil-Fertigungslinie hergestellt. Für Anwendungen mit niedrigem Energiebedarf gibt es ferner das RX6110SA, welches sich mit 130 nA Betriebsstrom begnügt und damit für jede batteriebetriebene Anwendung geeignet ist. Alle drei Module RX6110SA, RX8130CE und RX8900CE verfügen über verschiedene Versionen der automatischen Stromversorgungs-Umschaltung und benötigen dafür keine externen Bausteine. Außerdem enthalten sie eine I²C- und teilweise eine SPI-Schnittstelle.

Taktgeber-Baustein für Mobilfunk-Basisstationen

Der Taktgenerator Si5380 von Silicon Labs ist der erste Takt-IC-Baustein, der einen rauscharmen Integer-N-Taktbaustein, einen spannungsgeregelten Quarz-Oszillator (VCXO), diskrete Schleifenfilter und einen Spannungsregler durch einen einzigen Baustein ersetzt. Der Si5380 basiert auf firmeneigener DSPLL-Technik und ist speziell für kommende Klein- und Makrozellen-RRH-Designs (Remote Radio Head) ausgelegt. DSPLL nutzt eine Mixed-Signal-Architektur mit doppelter Regelschleife und einen analogen, spannungsgeregelten 15-GHz-Oszillator in einer digitalen PLL-Architektur (Phase-Locked Loop), was diskrete Schleifenfilter und LDO-Regler (Low Drop-out) erübrigt. Der Si5380 gewährleistet zudem geringes Phasenrauschen, selbst dann, wenn ein Eingangstakt mit hohem Jitter vorliegt. Damit ist sichergestellt, dass die Leistungsfähigkeit eines Datenwandlers nicht durch äußere Einflüsse beeinträchtigt wird. Der Baustein erzeugt 4G/LTE-Frequenzen bis zu 1,47456 GHz und zudem noch maximal zwölf unabhängig konfigurierbare Takte, die zur Taktung JESD204B-konformer Datenwandler, FPGAs und anderer Logikbausteine dienen.

Taktgeneratoren mit integriertem Quarz

Integrated Device Technology hat sich im Allgemeinen der Entwicklung und Produktion von Mixed-Signal-Halbleiterbausteinen verschrieben, bietet seit Jahren aber auch frequenz- bzw. taktgebende ICs an; hierzu gehören u.a. die programmierbaren VersaClock-5-Taktgeneratoren, die der Hersteller auch mit integriertem Quarz ausliefert. Die Versionen 5P49V5933 und 5P49V5935 zum Beispiel verringern in diesem Sinne den Platzbedarf auf der Leiterplatte und den Entwicklungs-Aufwand für die Frequenzabstimmung. Das Unternehmen schickt ganz aktuell noch eine weitere Produkreihe ins Rennen: VersaClock 6 (Bild 10). Diese programmierbaren Taktgeneratoren sollen mit einem RMS-Phasen-Jitter von weniger als 500 fs nochmals bessere Werte aufweisen als die Fünfer-Serie. Gleiches gilt für den Strombedarf des Bausteinkerns (ohne I/Os), der mit 30 mA deutlich niedriger ausfällt als bei Versaclock 5 (bei 3,3 V Betriebsspannung <100 mA). Die Bausteine enthalten bis zu vier differenzielle Signalausgänge, die voneinander unabhängig konfigurierbar sind, und erzeugen Taktfrequenzen von 1 bis 350 MHz.

Für 10G-Ethernet- oder auch für Wireless-LAN-Designs gibt es alternativ dazu von der Firma IQD eine Taktoszillatorfamilie mit der Bezeichnung IQXO-931, die ebenfalls mit einem geringen Phasen-Jitter von weniger als 0,5 ps effektiv – eingeschränkt über einen Frequenzbereich von 12 kHz bis 20 MHz – aufwartet. Das neue, in einem hermetisch dichten 6-Pad-Keramikgehäuse (2,5 × 2 mm²) untergebrachte Modell ist darüber hinaus in einem sehr weiten Frequenzbereich von 8 MHz bis 1,5 GHz erhältlich. Die verfügbaren Signalausgangs-Optionen umfassen CMOS, LVPECL und LVDS, wobei der Taktoszillator wahlweise mit 2,5 oder 3,3 V betrieben werden kann. Der Betrieb des Bausteins lässt sich über den industriellen Temperaturbereich von –40 bis +85 °C spezifizieren, bei Bedarf mit Frequenzstabilitätswerten bis herunter zu ±30 ppm über einen Zeitraum von zehn Jahren.

 

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