Verbessertes Phasenrauschen und geringere G-Sensitivity Quarzoszillatoren: Kleinere Bauformen sind in

Durch geringes Phasenrauschen (-130 dBc/Hz), niedrige G-Sensitivity und gute Frequenzstabilität (+/-20 ppb) zeichnen sich KVGs OCXOs der Serie 6000-LPN/LGS aus.
Durch geringes Phasenrauschen (-130 dBc/Hz), niedrige G-Sensitivity und gute Frequenzstabilität (+/-20 ppb) zeichnen sich KVGs OCXOs der Serie 6000-LPN/LGS aus.

Die fortschreitende Miniaturisierung bei Quarzoszillatoren ist laut KVG-Manager Harald Rudolph »ein seit vielen Jahren geltender, auch heute noch anhaltender Trend«. Gleichzeitig fordere der Anwender, dass die kleineren und billigeren Oszillatoren »gleiche oder sogar noch bessere Performance« bieten. Der zweite Trend gehe zu verbessertem Phasenrauschen und geringerer G-Sensitivity.

Dass kleiner und billiger »trendy ist, sieht man an den MEMS-Oszillatoren«, erläutert Rudolph, Leiter Produktmanagement der KVG Quartz Crystal Technology GmbH. Was die beiden Aspekte Phasenrauschen/G-Sensitivity anbelangt, ist ersteres eine Betrachtung im Frequenzbereich und entspricht dem Phasenjitter im Zeitbereich: »Somit ist es ein Maß dafür, wie stabil aufeinander folgende Perioden des Ausgangssignals sind.« Oszillatoren, die zur Synchronisierung von Systemen und Netzwerken verwendet werden oder deren Signal als Referenz für Frequenz-, Phasen- oder Zeitmessung benutzt wird, müssen ein möglichst geringes Phasenrauschen bzw. einen kleinen Jitter aufweisen. Um Oszillatoren mit geringem Phasenrauschen bauen zu können, benötige man neben einer ausgefeilten Schaltungstechnik den passenden Quarz: »Das A und O ist der verwendete Quarz«, versichert Rudolph. Die erforderlichen Quarze für rauscharme Oszillatoren werden mit besonderen Quarzschnitten hergestellt, haben eine linsenförmige Kontur und sind optisch feinpoliert, außerdem werden die Elektroden meist mit Gold bedampft. Der zweite Aspekt, die G-Sensitivity, bisweilen auch als Mikrofonie bezeichnet, beschreibt die Phasen- und Frequenzstabilität des Oszillators gegenüber mechanischen Einflüssen wie Schock und Vibration oder auch Körperschall. »Weil bereits kleinste Vibrationen die effektive Phasenrausch- bzw. Jitter-Performance von ‚low phase noise‘-Oszillatoren deutlich beeinflussen, findet diese Problematik bei professionellen Anwendungen im Telekom- und Messtechnik-Bereich immer mehr Aufmerksamkeit.« Auch bei dieser Problematik sei der Quarz das »entscheidende« Element. Speziell entwickelte ‚low-G‘-Oszillatoren erreichen eine G-Sensitivity von 1 x 10 hoch -9 pro g oder sogar besser gegenüber ca. 1 x 10 hoch - 8 pro g für Standardquarze.

Vergleiche man MEMS-basierende Oszillatoren oder Taktgeber-ICs mit hochwertigen Quarzoszillatoren für professionelle Anwendungen, so verfügten letztere »über eine weitaus bessere Frequenzstabilität, bessere Kurzzeitstabilität, geringeres Phasenrauschen und geringeren Phasenjitter«, sagt der KVG-Manager. Die von den MEMS-Herstellern genannten Vorteile wie geringere Größe, Robustheit gegenüber mechanischen Schocks und niedrigerer Preis seien hingegen »bei genauerem Hinschauen nur marginal«. Trotz des weiteren Nachteils der momentanen Quasi-Single-Source würden »MEMS-Oszillatoren ihre Markanteile in den nächsten Jahren zwar weiter ausbauen, aber in absehbarer Zeit keine Konkurrenz zu professionellen hochfrequenten VCXOs, TCXOs oder OCXOs darstellen«. Diese Konkurrenz werde es definitiv im Segment der einfachen XOs und VCXOs geben. Weil aber die traditionellen Hersteller von Quarzoszillatoren hier »nicht schlafen« und miniaturisierte XOs haben, die nur unwesentlich größer sind als die MEMS-Oszillatoren, »werden letztlich Preis und Marketing darüber entscheiden, wer das Rennen im Consumer-Bereich macht«. Wirklich interessant werde es, wenn es gelinge, den MEMS-Oszillator mit der zu taktenden Schaltung gemeinsam auf einem Chip zu integrieren. Auch weil Rudolph derartige Lösungen aber noch nicht bekannt sind, lautet sein momentanes Fazit: »Die Zielapplikationen und Zielmärkte der KVG sind von der MEMS-Konkurrenz und den Taktgeber-ICs (noch) nicht betroffen.«

Als Grund für den »generellen Trend zu kleineren Bauformen« bei Quarzoszillatoren führt Stefan Hartmann, Department Manager QD bei Epson Europe Electronics »die steigende Funktionalität und Funktionsdichte moderner Elektronik« an. Weil miniaturisierte Bauformen prinzipiell mit einer »Verschlechterung der Charakteristik« von Taktgebern einhergehe, habe man einen speziellen photolithographischen Prozess namens QMEMS entwickelt, um die Eigenschaften Quarz-basierender Taktgeber mit kleinen Bauformen zu verbessern. Diese QMEMS-Produkte sind aber etwas völlig anderes als SiTimes MEMS-Oszillatoren auf Siliziumbasis. Als Vorteile von Quarzoszillatoren listet Hartmann deren »sehr hohe Güte« (Q-Faktor) auf, so dass sich neben hoher inhärenter Temperatur- und Langzeitstabilität auch sehr gute Kurzzeitstabiliäten (geringer Jitter und Phasenrauschen) erzielen ließen. Diese Merkmale seien im »sehr großen und stark wachsenden Markt« der Kommunikationssysteme von »äußerster Wichtigkeit«.

Was den Punkt der kürzeren Lieferzeiten von MEMS-basierenden Oszillatoren anbelangt, werde man dem mit programmierbaren Versionen von Quarzoszillatoren gerecht, welche die Lieferzeiten »erheblich verkürzen und somit auch diesen Vorteil der MEMS-Produkte wettmachen«. Angesichts der momentan bestehenden Vorzüge Quarz-basierender Oszillatoren und Taktgeber sei es daher »fraglich, »ob MEMS-basierende Taktgeber in absehbarer Zeit erheblich an Marktanteilen gewinnen können«. Aus Hartmanns Sicht sind »MEMS-Oszillatoren nur in Nischen einsetzbar, in denen die Anforderungen an die Spezifikation des Taktgebers recht unkritisch sind«. Aber auch hier gebe es mit programmierbaren Quarzoszillatoren Lösungen, welche die von MEMS-Herstellern »propagierten kurzen« Lieferzeiten erreichen und damit den »Umstiegsdruck auf MEMS-Oszillatoren sehr klein halten«. Ein Trend zum parallelen Design-In von pinkompatiblen Quarz- und MEMS-Oszillatoren lasse sich momentan »nicht in erheblichem Umfang« beobachten, sei »wenn überhaupt, dann eher eine Randerscheinung«. Keine Rolle spielten derzeit auf dem Markt die Aspekte SoC (System on Chip) und SiP (System in Package), die Kunden setzten weiterhin auf diskrete Quarze: »Dies mag an der Möglichkeit des 2nd Sourcings liegen, aber auch am äußerst konkurenzfähigen Preis und der großen Flexibilität.« Zudem spiele »sicherlich« die Komplexität der Integration von Taktgebern in Halbleiterpackages eine Rolle.

Analog Rudolph und Hartmann führt auch Detlev Seiler, Director Sales bei Jauch Quartz, die »weiter fortschreitende Miniaturisierung« als einen wichtigen Trend an. Bauformen bei Quarzen und Oszillatoren mit Abmessungen von 3,2 x 2,5 mm »setzen sich immer mehr durch«, 5,0 x 3,2 mm ist bereits Standard. Gerade mal 2,0 x 1,6 mm ist Jauchs Oszillator JO21 groß, der SMD-Quarz misst gar nur 1,6 x 1,2 mm. Vorzüge der Quarzoszillatoren seien neben dem geringen Phasenrauschen die geringe Stromaufnahme vor allem bein niedrigen Frequenzen. Hingegen verzeichneten MEMS-basierende Oszillatoren eine höhere Stromaufnahme wegen des Zusatzaufwands zur Temperaturkompensation des MEMS-Resonators, glänzten aber durch hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Letzteres gelte auch für Taktgeber-ICs, dafür erreichten sie aber bezüglich der Frequenzstabilität über Temperatur und Langzeitstabilität »noch nicht« die Werte der anderen beiden Oszillatortypen. Was die Marktdurchdringung von MEMS-Oszis betrifft, so bescheinigt Seiler den Herstellern wie SiTime zwar »technische Fortschritte, die allerdings nicht in spürbarem Maße dazu geführt haben, den klassischen Quarzoszillatorherstellern Marktanteile zu entziehen«. Gleichwohl gebe es aber für beiden Oszillatortypen »viele« Anwendungsbereiche, in denen sie miteinander konkurrieren können. Der von SiTime&Co. »oft genannte« Vorteil des geringeren Platzbedarfs von MEMS-Oszis werde aber durch die ebenfalls in kleinen Baugrößen erhältlichen Quarzprodukte relativiert.