Takterzeugung Monolithische CMOS-Oszillatoren ersetzen Quarze

Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und geringen Temperaturabhängigkeit werden zur Takterzeugung meist Quarz-Oszillatoren eingesetzt. Allerdings sind Quarze mechanisch sehr empfindlich. Als Ersatz eignen sich monolithische CMOS-Oszillatoren — vor allem in Applikationen, in denen es auf minimalen Platzbedarf und mechanische Unempfindlichkeit ankommt.

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Jauch Quartz GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Macnica GmbH

Anders als in der klassischen Analogelektronik, bei der Spannungswerte als Träger von Information asynchron die Signalkette durchlaufen, benötigen digitale Schaltungen in ihrer modernen Konzeption mit State-Machines präzise Taktquellen — möglichst phasenstarr gekoppelt über alle Funktionsgruppen einer Schaltung. Als Technologie zur Erzeugung der Takte haben Quarze und darauf basierende Oszillatoren einen beispiellosen Siegeszug angetreten, sind sie doch äußerst genau und nur wenig temperaturabhängig.

So gibt es heute kaum ein elektronisches Gerät, in dem nicht mindestens ein Quarz werkelt, angefangen von Digitaluhren über Mobiltelefone und Notebooks bis hin zu Großrechenanlagen. Ein großer Markt also und daher immer wieder Gegenstand von Begehrlichkeiten. Das jüngst von IDT übernommene Halbleiterunternehmen Mobius Microsystems ist nun angetreten, die „Quarz-Bastion“ mit einem monolithischen CMOS-Ansatz zu schleifen.

Quarze können nicht in Halbleitern integriert werden

Der verwundbare Punkt bei den Quarzen, die Achillesferse sozusagen, liegt zum einen in der mechanischen Empfindlichkeit dieser Bauelemente und zum anderen in den Herstellungskosten, die trotz automatisierter Produktion immer noch im Bereich einiger 10 US-$-Cents je Einheit liegen.

Da ein Quarz seine Referenzeigenschaften, die Fähigkeit also, auf exakt einer Frequenz zu schwingen, aus seinen geometrischen und kristallinen Eigenschaften bezieht, liegt hier auch die Schwachstelle: Quarze reagieren empfindlich auf mechanischen Schock, Vibration. Zudem sperren sie sich aufgrund ihrer elektromechanischen Natur der Integration in Halbleiter, so dass es in elektronischen Schaltungen neben den eigentlichen „Nutz-ICs“ immer noch eines Quarzes und peripherer Elemente wie Oszillatoren, PLLs etc. bedarf.

Die Überlegung, Taktgeneratoren vollständig monolithisch zu integrieren liegt also nahe, ist aber bislang aus unterschiedlichen Gründen gescheitert. Einer davon heißt Stabilität, denn bislang war es nicht möglich, die hohe Genauigkeit und Temperaturstabilität der Quarze durch reine CMOS-Lösungen zu ersetzen. Gleichzeitig aber steigen kontinuierlich die Anforderungen an die Präzision, auch bei Consumer-Produkten. Ein paar Beispiele bekannter Kommunikationsstandards mögen das verdeutlichen:

• USB 1.0, USB 2.0: 500 ppm,
• Firewire: 100 ppm,
• Ethernet: 100 ppm,
• PCI Express: 300 ppm,
• SONET: 20 ppm.

Vor allem die modernen Kommunikationsschnittstellen wie Firewire oder Ethernet sind es, die recht anspruchsvoll sind, was die Stabilität der Taktversorgung betrifft. Andere Lösungen als Quarz-Oszillatoren sind entweder nicht genau genug oder einfach zu teuer.

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