Monolithische CMOS-Oszillatoren ersetzen Quarze

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Erste monolithische CMOS-Oszillatoren als Wafer und im Gehäuse

Aus der Reihe der „All-Silicon“-CMOS-Oszillatoren sind mittlerweile die ersten beiden Typen MM8202 (400 ppm) und MM8102 (300 ppm) verfügbar. Sie machen IDT zum derzeit einzigen Anbieter reiner Silizium-Oszillatoren mit Quarz-Performance sowohl in Wafer- als auch Gehäusekonfektionierung.

Die beiden Bausteine ersetzen Quarz-Oszillatoren in Anwendungen der Consumer-, Computer- und Speicheranwendungen, wo kleine Bauformen gefordert sind und sie bieten hervorragende Eigenschaften, wenn es um die Realisierung von seriellen Schnittstellen wie SATA, PCIe, USB 2.0 und USB 3.0 geht.

Da es beide Bausteine auch als Wafer gibt, sind Fertigungs- und Gehäuseverfahren wie CoB (Chip On Board) oder MCM (Multi-Chip Module) möglich, um noch mehr Platz zu sparen. Als Verpackung stehen zwei 4-Pin-Gehäuse mit 5 mm x 3,2 mm x 0,9 mm und 2,5 mm x 2 mm x 0,6 mm zur Auswahl. Die Chips werden mit Standard-CMOS-Technologie hergestellt und bieten eine voll integrierte Alternative zu Quarz basierenden Resonatoren und Oszillatoren.

Vor allem der MM8202 eignet sich bestens für sehr flache Consumer-Geräte wie SIM-Karten mit hoher Speicherkapazität oder USB-Speichersticks. MM8102 und MM8202 bieten hohe Frequenzgenauigkeiten (<300 ppm beim MM8102) und Maximalfrequenzen bis 133 MHz – was ideal ist für die heute üblichen serielle, drahtgebundenen Übertragungstechnologien.

Beide ICs verbrauchen im aktiven Betrieb nur 2 mA bei 1,8 V und unterstützen einen Standby-Mode, mit dem sich die Stromaufnahme auf weniger als 1 μA senken lässt. Die monolithischen „All-Silicon“-Schwinger bieten zudem hervorragende Schock- und Vibrationsfestigkeit, da sie die Frequenzen rein elektronisch ohne bewegliche mechanische Teile erzeugen.

Attraktives Marktpotenzial für Quarz-Oszillatoren und konkurrierende Technologien

Nach einer Studie des Marktforschungsunternehmens Visant Strategies betrug der weltweite jährliche Umsatz an Quarzen 3,1 Mrd. US-$ im Jahre 2008 und die Prognose beläuft sich für 2013 auf 4,3 Mrd. US-$. Das Potenzial für ersetzende Technologien ist also äußerst attraktiv, die Hürden allerdings hoch.

Die Fertigung für Quarze und Oszillatoren ist durch eine jahrelange Lernkurve gegangen, daher ausgereift und äußerst preisgünstig. Zudem ist vor einigen Jahren eine konkurrierende Technologie auf den Markt getreten, die ebenfalls ein Stück vom Kuchen ergattern will. Es handelt sich dabei um MEMS-basierende Oszillatoren, die inzwischen kommerzielle Reife erlangt haben und von Herstellern wie SiTime oder Discera angeboten werden.

MEMS-Oszillatoren lassen sich mit CMOS-ähnlichen Herstellungsverfahren produzieren. Sie sind ebenfalls äußerst klein und mit ±10 ppm und besser sehr präzise — allerdings nicht ganz billig. So kostet beispielsweise ein 12-MHz-Oszillator mit ±50 ppm Genauigkeit in Tausender-Stückzahlen rund 1,40 US-$, während IDT für die Oszillatoren MM8202 (±400ppm) einen 1000-er-Preis von etwa 0,55 US-$ angibt.

MEMS-Oszillatoren haben zudem den Nachteil, dass sie als „mechanische Schwinger“ ebenso wie Quarze anfällig sind gegen Schock und Vibration. Auch lassen sich nicht beliebige Frequenzen als „Grundschwingung“ erzielen. Übliche Werte liegen im Bereich einiger MHz. MEMS-Oszillatoren benötigen also in der Regel PLL-Schaltungen zum Erzielen spezifischer Frequenzen, dazu besondere Ansteuerung für die elektrostatische Anregung und – ähnlich wie beim CHO – umfangreiche Kompensationselektronik, denn die Temperaturabhängigkeit ist bei weitem nicht so gut wie bei den Quarzen.

Das alles hat auch seinen Preis im Sinne des Stromverbrauchs, bei dem die reinen CMOS Lösungen nahezu unschlagbar sind. So braucht beispielsweise der MM8202 im Betrieb mit 1,8 V einen maximalen Versorgungsstrom von 2,5 mA (ohne Ausgangslast), mit abgeschaltetem Ausgang ist es lediglich 1 mA. MEMS-Schwinger langen dagegen schon deutlich kräftiger zu. Ein vergleichbarer Oszillator mit dieser Technologie zieht etwa den 3- bis 5-fachen Strom.

Der Anwender kann zwischen drei verschiedenen Technologien wählen

Aus Anwendersicht ergibt sich nun bei neuen Designs eine Wahlmöglichkeit zwischen drei unterschiedlichen Technologien. Auf der einen Seite gibt es eine reiche Auswahl an Lieferanten für die bewährten Quarz-Oszillatoren, auf der anderen Seite eine Handvoll Anbieter für MEMS-Oszillatoren und aktuell einen für CHOs.

Dort, wo besonders kleine Abmessungen, mechanische Unempfindlichkeit und geringe Kosten im Vordergrund stehen, können die Mobius Oszillatoren ihre Stärken ausspielen und Quarze ersetzen. Das können z.B. tragbare Geräte der Medizintechnik oder Militärtechnik sein, besonders robuste Festplatten oder andere mobile Einrichtungen.

Bei zukünftiger Qualifizierung der ICs für erweiterte Temperaturbereiche, ggf. auch gemäß Automotiove-Standards, können natürlich auch Märkte im Bereich Militär und Avionik erobert werden.

*Dipl.-Ing. (FH) Stefan Tauschek ist Technologieberater bei der Scantec AG in München.

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