μC mit integriertem Taktgeber
Volumenwellenresonator ersetzt externen Quarz
Präzise Taktsignale sind Voraussetzung für eine zuverlässige Kommunikation – egal ob per Funk oder leitungsgebunden. Die bisher allgegenwärtigen Quarze stoßen mit den weiter steigenden Anforderungen zur Datenübertragung mehr und mehr an ihre Grenzen – weshalb Alternativen gesucht werden.
Um den Taktgenerator in einen Mikrocontroller zu integrieren, hat Texas Instruments einen Dünnschicht-Volumenwellenresonator (BAW – Bulk Acoustic Wave) entwickelt, der auf dem Si-Chip platziert werden kann (Bilder 1 und 2) zu einem System in Package.
Damit gelang es den Forschern und Entwicklern aus verschiedenen Bereichen bei Texas Instruments zwei Ziele zu erreichen. Sie haben die Bauweise des Volumenwellenresonators soweit optimiert, dass er hochfrequente Schwingungen mit hoher Güte – typisch 1200 bei 2,5 GHz – erzeugen kann und dass er zusammen mit einem Silizium-Chip in einem Gehäuse montiert werden kann.
Jobangebote+ passend zum Thema
Bisher arbeiten die allermeisten Mikroprozessoren mit Taktsignalen, deren Frequenz von einem externen Quarz vorgegeben wird, um ein präzises Taktsignal zu generieren.
Die Fortschritte in der Miniaturisierung von digitalen Schaltkreisen führen inzwischen dazu, dass der Quarz als größtes Bauteil in einer Mikrocontrollerschaltung identifiziert werden kann. Bisher war es weder möglich den externen Quarz vergleichbar den digitalen Schaltungen zu miniaturisieren oder ihn zusammen mit dem Chip in einem IC-Gehäuse zu integrieren.
Im Mikrocontroller integrierte RC- oder LC-Generatoren sind dagegen zwar platzsparend. Sie können direkt im IC integriert werden, sind aber wegen ihrer großen Toleranz nur für wenige Anwendungen tatsächlich geeignet und können kaum als Alternative zu einem Quarz betrachtet werden.
Externe MEMS-Generatoren sind zwar kleiner als Quarze und vermeiden deren Nachteile, benötigen aber immer noch zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte. Im IC-Gehäuse integrierte MEMS-Taktgeber, wie z.B. der von Texas Instruments entwickelte BAW-Resonator, bieten sich deshalb als platzsparende Alternative an.
Texas Instruments hat sich für die Technik der Volumenwellenresonatoren entschieden, da sie nicht eine nur eine präzise Taktsignalerzeugung ermöglicht, sondern die zum Bau des BAW-Resonators benötigten Materialien passen auch zur Halbleiterfertigung (Tabelle).
Technik | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
Volumenwellenresonator (BAW) |
|
|
Oberflächenwellenresonantor (OFW) |
| |
LC |
|
|
Tabelle. Vergleich der Techniken, die als Alternative zum Quarz zur Verfügung stehen (Quelle: Texas Instruments).
Präzise Taktsignale für zuverlässige Kommunikation
Texas Instruments integriert den BAW-Resonator zunächst in zwei Schaltkreise, einen Baustein zum Synchronisieren von Taktsignalen in Netzwerken (LMK05318) und einen Mikrocontroller mit Funk-Transceiver (CC2652RB). Beide ICs profitieren vom niedrigen Jitter des BAW-Taktgenerators und von der niedrigen Temperaturdrift (Bild 3) und Alterung.
Mit einer internen Regelung der PLL im CC2652RB gelingt es Texas Instruments die Temperaturdrift und Alterung des Volumenwellenresonators zu kompensieren, so dass die von ihm erzeugte 48-MHz-Taktfrequenz maximal um ±40 ppm über einen Zeitraum von 10 Jahren abweicht.
Ein Wert der beispielsweise in den Spezifikationen der Funktechniken Bluetooth, Thread und Zigbee gefordert wird, um eine zuverlässige Datenübertragung zu ermöglichen. Für den Mikrocontroller nennt Texas Instruments als weiteren Vorteil, dass durch den Wegfall des externen Quarzes zwölf Prozent der Leiterplattenfläche eingespart werden kann.
Im Vergleich zu einem Taktgenerator mit externem Quarz benötigt der Volumenwellenresonator allerdings etwas mehr Energie im Betrieb. Texas Instruments gibt die durch den BAW-Resonator höhere Stromaufnahme des Mikrocontrollers CC2652RB mit 500 µA an. Um sie zum Teil zu kompensieren, hat Texas Instruments die Steuerung des BAW-Resonators in den Protokoll-Stack des Funkstandards integriert, z.B. in den Bluetooth-Low-Energy-Stack.
Im typischen Intervallbetrieb mit Sendepausen beziffert Texas Instruments den Mehrleistungsbedarf des CC2652RB mit BAW-Resonator auf ca. 4,4 bis maximal sieben Prozent für eine Bluetooth-LE-Verbindung im Vergleich zum CC2652R, der einen externen 48-MHz-Quarz benötigt.
Literatur
[1] Balasubramanian, M.: How to use the LMK05318 as a jitter cleaner. Texas Instruments, Application Report, Januar 2019, https://www.ti.com/lit/an/snaa326/snaa326.pdf.
[2] Murdock, J. N.; Ur Rahman Mohammed, H.; Thanigai, P.: SimpleLink crystal-less wireless MCU based on TI BAW technology – at the heart of IoT evolution. Texas Instruments, Februar 2019, https://www.ti.com/lit/wp/sway027/sway027.pdf.
[3] Zhang, B.; Sridhar, A.; Ting-Ta Yen, E.; Lu, X.: TI BAW technology enables ultra-low jitter clocks for highspeed networks. Texas Instruments, White Paper, Februar 2019, https://www.ti.com/lit/wp/snoaa34/snoaa34.pdf.
[4] CC2652RB SimpleLink crystal-less BAW multiprotocol 2.4-GHz wireless MCU. Texas Instruments, Datenblatt, März 2019, https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2652rb.pdf.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Micro Crystal
Genaue Echtzeituhr für Wearables und IoT
Red Frequency
Keramik-Resonatoren mit guter Alterung
Quarze & Oszillatoren
Vom Jitter gereinigt
