5G: Stabile Kommunikation dank Bulk-Acoustic-Wave-Taktgeber

Um die Entwicklung leistungsfähiger Kommunikationssysteme voranzutreiben, hat Texas Instruments zwei neue Bauelemente vorgestellt, die einen integrierten BAW-Taktgeber verwenden. Damit werden die Probleme herkömmlicher Quarze vermieden.

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Bei der Übertragung und Analyse von großen Datenmengen wie in 5G-Netzwerken oder Rechenzentren stellen diskrete Takt- und Quarzbausteine eines der größten Hindernisse dar. Mit ihnen aufgebaute Kommunikations- und Industrieautomations-Systeme können die Entwicklung teuer, zeitraubend und kompliziert machen und sind häufig anfällig gegen Umgebungseinflüsse wie Temperatur, Vibration und Stoß, aber auch Alterung.

Texas Instruments (TI) hat zwei auf der Bulk-Acoustic-Wave-(BAW-)Technologie basierende Bauelemente vorgestellt, die Entwicklern helfen sollen, mit weniger Bauteilen leistungsfähigere Netzwerke zu realisieren und dabei die Nachteile diskreter externer Taktgeber zu vermeiden: den SimpleLink CC2652RB Wireless-Mikrocontroller (MCU) und den Network Synchronizer Clock LMK05318.

Die BAW-Technologie basiert auf einem Mikro-Resonator, der es ermöglicht, hochpräzise und extrem jitterarme Takterzeuger für hohe Frequenzen zusammen mit weiteren Schaltkreisen direkt auf dem Silizium zu integrieren. Der mikroelektromechanische (MEMS) Resonator besteht dabei aus einem piezoelektrischen Material, das zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Dieses Material wandelt elektrische Energie in mechanisch-akustische Energie um und erzeugt Schwingungen, die zu einem hochfrequenten, stabilen Taktverhalten führen, wobei die gewünschte Frequenz durch die Geometrie beeinflusst wird. BAW-Taktgeber liefern daher äußerst saubere Takte. Damit erhöht sich die Genauigkeit bei der Datensynchronisation drahtloser und leitungsgebundener Signale und ermöglicht dadurch eine stabile Datenübertragung. Gleichzeitig sollen nach Aussage von TI die Entwicklungs- und Systemkosten sinken.

Gefertigt werden diese auf der BAW-Technologie basierenden Bauelemente in einem TI-eigenen Halbleiter-Prozess, der es dem Hersteller aufgrund seiner jahrelangen Prozesserfahrung erlaubt, die Resonatoren für Temperatur und Alterung präzise zu kompensieren. Bei der Vorstellung der neuen Bauteile wies TI explizit drauf hin, dass nicht daran gedacht ist, eigenständige Taktgeber auf BAW-Basis auf den Markt zu bringen. Vielmehr soll diese Technologie dazu dienen, durch ihre Integration in andere TI-Produkte deren Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Erster quarzloser Funk-Mikrocontroller

Der CC2652RB-Mikrocontroller enthält als erster Wireless-Chip der Industrie in seinem QFN-Gehäuse einen BAW-Resonator, sodass kein externer 48 MHz Quarz benötigt wird. Er bietet als Multi-Standard-Baustein Unterstützung für Zigbee, Thread, Bluetooth Low Energy und proprietäre 2,4 GHz Konnektivitätslösungen. Dabei ist er im Gegensatz zu vielen quarz-basierten Lösungen für den vollen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C geeignet und erreicht hier eine Frequenzstabilität von ±40 ppm. Den durch den Entfall des externen Taktgebers erzielten Platzvorteil auf der Leiterplatte gibt Texas Instruments mit 10 bis 15% für ein Standard-Board an.

Der einkanalige Netzwerk-Synchroniserungs-Baustein LMK05318 integriert ebenfalls einen BAW-Resonator und soll bei Verbindungen mit 400 Gbit/s zu einer schnelleren Datenübertragung beitragen und außerdem ein größeres Systemjitter-Budget als konkurrierende Bauelemente ermöglichen. Durch seinen niedrigen Jitter von 50 fs RMS bei 312,5 MHz ohne externe Komponenten können mit dem LMK05318 äußerst kleine Bitfehlerraten für 56 Gbit/s und die kommenden 112 Gbit/s PAM-(Pulsamplituden-Modulation-) 4-Links erreicht werden. Die Hitless-Switching-Performance wird von TI mit einer Phasentransienz von ±50 ps angegeben. Durch den Wegfall der In-System-Programmierung, der einfacheren Stromversorgungsanforderungen und eines reduzierten Aufwands an zusätzlichen Bauelementen soll der LMK05318 nach Herstellerangaben das Leiterplattendesign gegenüber konkurrierenden Lösungen vereinfachen, während sich die Taktungsleistung gleichzeitig verbessert.

Beide Bauelemente sind bereits verfügbar

Der CC2642RB ist im 7 mm x 7 mm großen QFN-Gehäuse als Vorserienmuster und der LMK05318 in Produktionsstückzahlen im TI Store und bei autorisierten Distributoren bereits erhältlich, ebenso wie zugehörige Evaluationsmodule und Entwicklungskits.

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