Quarze und Oszillatoren Ende der Miniaturisierung nicht in Sicht

IQF Frequency Products‘ CMOS-basierter 32-kHz-Oszillator IQXO-40x steuert Lasten von bis zu 15 pF an.

Was die Technik-Aspekte bei Quarzen und Oszillatoren betrifft, wird sich laut WDI-Vorstand Christian Dunger »der Trend zu Lösungen mit noch weniger Phasenrauschen, höheren Frequenzen und niedrigerer Betriebsspannung sowie weiterer Miniaturisierung fortsetzen«.

Bei der Miniaturisierung sind nicht nur die Hersteller von Taktgeberbausteinen gefordert, »auch die Hersteller von Halbleiterkomponenten arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung neuer, immer komplexerer und kleinerer Chipsätze«, betont Dunger, Vorstand von WDI. So deuteten schon 2017 die erhobenen Daten darauf hin, dass mit einem sinkenden Bedarf an einzelnen Quarzen zugunsten von fertigen Quarzoszillatoren in immer kleiner werdenden SMD-Keramikgehäusen zu rechnen sei, »auf die in naher Zukunft etwa 60 bis 70 Prozent der Gesamtproduktion entfallen dürfte«. Zudem zeichne sich ab, dass die weit verbreitete CMOS-Logik zunehmend durch neue Techniken wie HCSL- und CML-Logik ersetzt werde.

Aus der Miniaturisierung und somit kleineren Bauformen bei Schwingquarzen resultiert aber auch immer (noch) ein höherer ESR-Wert, der sich negativ auf das Anschwingverhalten auswirkt. Abhilfe schafft hier die Halbleiterindustrie mit „Automatic Gain Control“. Dabei wird die Anschwingsicherheit anfangs verbessert, indem die Verstärkung im Oszillatorkreis erhöht wird. Sobald die Schaltung schwingt, verringert man die Verstärkung wieder. Dadurch wird eine erhöhte Anschwingsicherheit erreicht, sodass auch kleinste Bauformen zum Einsatz kommen können. Aus Automatic Gain Control resultiert noch ein angenehmer Nebeneffekt: Im Normalbetrieb reduziert sich der Stromverbrauch des Komplettsystems, denn in der Anwendung muss nun kein hoher ESR mehr kompensiert werden.

»Weil heutige Systeme immer größere Datenmengen verarbeiten müssen, sind deutlich höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten erforderlich, und dafür werden wiederum höhere Frequenzen und kürzere Transitions-Zeiten benötigt«, erläutert Dunger. In Verbindung mit den höheren Geschwindigkeiten steigen außerdem die Anforderungen an das Phasenrausch- und Jitter-Verhalten immer weiter. Ein weiterer Trend ist Dunger zufolge das Verwenden eines zentralen Taktgebers, von dem alle weiteren benötigten Takte abgeleitet werden: »Dies setzt zwar die Verwendung besonders performanter Frequenzkomponenten voraus, reduziert jedoch die Bauteilevielfalt erheblich.« Eine sehr hohe Genauigkeit und niedriges Phasenrauschen sind daher auch hierfür notwendig, damit höher getaktet werden kann und große Mengen an Daten fehlerfrei übertragen werden können.

Wie Dunger konstatiert Anke Allen, Director European Sales bei IQD Frequency Products, den »zunehmenden Trend hin zu kleineren Gehäusegrößen, geringerem Phasenrauschen und engeren Stabilitäten mit weiten Temperaturbereichen«. Dafür sind »ständige technische Entwicklungen mit unseren Produktionsstätten und mit Kunden« erforderlich. Die strenge Kontrolle bei der Fertigung schlägt sich in einer niedrigen Fehlerrate und somit einer geringen Rücksenderate nieder.