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Keramikresonatoren vs. Quarzoszillatoren


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Frequenztoleranzen gedrittelt

Die Toleranz eines Resonators ist ein Maß für die Genauigkeit seiner Ausgangsfrequenz. Man unterscheidet zwischen der durch die Materialeigenschaften bestimmten Anfangstoleranz, der temperaturabhängigen Toleranz und Alterungseffekten. Die Summe aller drei Komponenten ergibt die Gesamttoleranz eines Bauteils. Während im Datenblatt meist nur die Anfangstoleranz angegeben ist, sind dennoch Aussagen über alle drei Komponenten erforderlich, um beurteilen zu können, welche Frequenzschwankungen das Bauteil über die Einsatzzeit einer Applikation hinweg verursachen kann.

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Bild 2: In den letzten Jahren hat sich die Frequenztoleranz auf etwa ±3000 ppm gedrittelt, sodass sich Resonatoren nun auch zum Einsatz in Bord-Kommunikationsnetzwerken eignen
© Murata

Bei konventionellen Keramikresonatoren überwiegt in der Regel die temperaturabhängige Toleranz. Die starke Veränderung der Ausgangsfrequenz als Funktion der Temperatur führte bei früheren Bauteilen dazu, dass sich die Gesamttoleranz bei ±9000 ppm und weit darüber bewegte (Bild 2 oben).

Dieser Wert mag für die meisten Anwendungen noch hinnehmbar sein, in denen es um die Taktung eines Mikrocontrollers geht. Ein Einsatz in Bord-Kommunikationsnetzwerken von Kraftfahrzeugen ist damit jedoch ausgeschlossen.

Um die Toleranzen von Keramikbauteilen zu reduzieren, wurden neue Werkstoffe mit besserer Temperaturcharakteristik entwickelt. Lag die Frequenzdrift im Temperaturbereich von +40 °C bis +125 °C bei herkömmlichen Produkten noch bei ±4000 ppm, ließ sich die Toleranz durch den Einsatz der neuen Materialien auf ±1500 ppm über denselben Temperaturbereich verringern (Bild 2 unten).

Murata spezifiziert seine Produkte für Automobilanwendungen standardmäßig bis +125 °C und bietet einige Bauteile sogar für Temperaturen bis +150 °C an.

Durch eine verbesserte Keramikverarbeitung ist es außerdem gelungen, die Anfangstoleranz und die Frequenzänderungen infolge von Alterung entscheidend zu verringern. Deshalb ist die Gesamtfrequenztoleranz einiger neuerer Keramikresonatoren ±3000 ppm, also nur noch ein Drittel des Wertes früherer Produkte. Dank dieser deutlich höheren Genauigkeit nähern sich Keramikbauteile in ihrer Performance dem Niveau von Quarzresonatoren an und können deshalb mittlerweile als realistische Alternative für die zeitbestimmenden Elemente in Automotive-LAN-Systemen angesehen werden.

Jitter auf gleichem Level

Unter Jitter versteht man die unerwünschten Schwankungen des Taktsignals, meist verursacht durch thermisches Rauschen, Phasenrauschen und sonstige Störeinflüsse. Da die Toleranzen bei Quarzen traditionell geringer waren als bei entsprechenden Keramikbauteilen, wurde häufig die Ansicht vertreten, der Jitter von Keramikresonatoren sei größer. Inzwischen ist diese Aussage jedoch durch entsprechende Forschung widerlegt. In Vergleichstests zwischen Quarz- und Keramikresonatoren zeigte sich, dass der Kurzzeit-Jitter (periodischer Jitter) mit etwa 10 ppm bei 8 MHz ungefähr gleich hoch ist.

Langzeit-Jitter
Bild 3: Auch der Langzeit-Jitter ist bei beiden Resonatortypen weitgehend identisch

Gerade die CAN-Bus-Architektur ist in Bezug auf den Jitter besonders intolerant, denn dort beträgt die maximal zulässige Frequenztoleranz ±0,15% bis ±0,5%. Quarzresonatoren waren deshalb in der Vergangenheit ohne Alternative für den Entwickler. Relevant für CAN-Applikationen ist außerdem, dass sich auch der Langzeit-Jitter bei beiden Resonatortypen als weitgehend identisch erwiesen hat (Bild 3).

Verbesserungen bei den Keramikwerkstoffen haben bewirkt, dass Keramikresonatoren heute für zahlreiche Anwendungen in Frage kommen, in denen früher ausschließlich Quarzbausteine spezifiziert worden wären. Die kleineren Abmessungen, der geringere Bedarf an externen Bauelementen und die größere Robustheit der Keramikresonatoren sind ausschlaggebend dafür, dass diese Bauteile zunehmend Eingang in Automobilapplikationen und andere Anwendungsgebiete finden, die auf hochpräzise Mikrocontrollertakte angewiesen sind. Der günstigere Preis der Keramikresonatoren kommt als weiterer Pluspunkt hinzu.

 

Der Autor: Kazutaka Hori ist Produktmanager für piezoelektrische Produkte bei Murata


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