Quarze & Oszillatoren – oft verkannt, aber unverzichtbar

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Ein zentraler Takt reduziert die Bauteilevielfalt

Ein weiterer Trend geht in Richtung zentraler Taktgeber, wie Jürgen Müller erläutert: „Wir haben die Erfahrung gemacht, dass Bauteilevielfalt gerade bei 5G-Applikationen reduziert wird. Da werden von einem zentralen Takt alle weiteren Takte abgeleitet, sodass nur noch wenige Quarzbauteile nötig sind. Früher waren in den Basisstationen zum Beispiel 20 VCOs, die alle verschiedene Frequenzen hatten.“

„Das heißt allerdings auch, dass jede Funktion bestimmte spezifische Anforderungen stellt, die mein Taktgeber alle erfüllen muss, was nicht so einfach ist, zumal vor allem in der Netzwerktechnik die Datenraten immer höher werden. Das heißt, ich brauche genauere Taktgeber und geringeres Phasenrauschen, damit ich eben höher takten kann, um mehr Daten übertragen zu können“, gibt Stefan Hartmann zu bedenken und Gerd Reinhold wirft ein: „Eine andere Problematik ist, dass bei immer kleiner werdenden Quarzbauformen der ESR zwangsweise immer höher wird, was kontraproduktiv zu den Low-Power-Controllern ist.“

Bei dieser Problematik kommt Hilfe von den Halbleiter-Herstellern, wie Stefan Hartmann weiß: „Die Lösung heißt Automatic Gain Control. Das heißt, die Anschwingsicherheit wird anfangs verbessert, indem die Verstärkung im Oszillatorkreis erhöht wird. Sobald die Schaltung schwingt, verringert man die Verstärkung wieder. So erreicht man eine erhöhte Anschwingsicherheit und kann auch kleinere Quarze einsetzen. Und der Low-Power-Gedanke wird umgesetzt, da im Betrieb dieser hohe ESR nicht mehr kompensiert werden muss, was im Normalbetrieb den Stromverbrauch des Komplettsystems reduziert.“

Quarze mit immer kleinerem ESR sind gefragt

Miniaturisierung muss nicht unbedingt mit einem höheren ESR einhergehen, findet Jürgen Reichmann: „In der Massenproduktion wird die Qualität immer besser und der ESR sinkt. Bei einer gewissen Produktionsmenge und entsprechendem Knowhow wird der Stromverbrauch auch mit kleineren Bauformen nicht zu hoch, sondern sogar geringer. Wenn ich an die Bauform 3,5 mm x 2,5 mm denke, dann liegen wir heute üblicherweise um die 10 Ω – da hatten wir früher höhere Werte. Ich hatte nicht erwartet, dass es so schnell besser wird.“

Auch WDI-Chef Christian Dunger freut sich über die Fortschritte in der Quarz-Technologie: „Unsere Branche ist sehr innovativ – auch wenn es immer wieder heißt, dass der Quarz seinen Lebenszyklus abgeschlossen hat und durch eine neue bahnbrechende Technologie ersetzt wird. Man sieht zum Beispiel beim Thema ESR, dass wir inzwischen Werte erreicht haben, die vor drei bis vier Jahren noch undenkbar waren. Die Innovationen, und zwar nicht nur in der Miniaturisierung, sondern auch in der technischen Performance sind derart hoch, dass der Quarz uns sicher noch sehr lange auch in sehr kleinen Bauformen erhalten bleiben wird.“

Machen MEMS-Oszillatoren den Quarz überflüssig?

Bei der von Christian Dunger erwähnten „bahnbrechenden Technologie“, die den Quarz Unkenrufen zufolge ablösen soll, handelt es sich um MEMS. Glaubt man den Anbietern von MEMS-Oszillatoren, soll es sich dabei um Wunderwerke der Technik handeln, die über kurz oder lang den Quarz vom Markt fegen werden. Die Teilnehmer unserer Gesprächsrunde sind da durchwegs anderer Meinung.

„Ich kann mir nicht vorstellen, dass ein Quarz, der 7 oder 10 Cent kostet, durch einen 20- oder 25-Cent-MEMS-Oszillator abgelöst wird. Zwar ist MEMS derzeit in aller Munde und seine Vorzüge werden gepriesen, aber ich sehe bisher noch keine großen Anwendungen im Hf-Bereich“, erläutert Stefan Hartmann und Jürgen Müller pflichtet ihm bei: „Das sehen Sie richtig, und hinzu kommt auch noch die Problematik mit dem Phasenrauschen und der Genauigkeit.“

„Was auch immer verschwiegen wird, ist die schlechte Kurzzeit-Stabilität, die MEMS- Oszillatoren haben“, ergänzt Gerd Reinhold. „Deswegen sind sie ja auch in der Datenübertragung überhaupt nicht geeignet.“ Und Johann Wiesböck wirft ein: „Der Hype um MEMS-Oszillatoren wird auch geschürt, weil MEMS in anderen Bereichen natürlich sehr sinnvoll sind, ich denke da nur einmal an MEMS-Sensoren, die in der Tat revolutionär sind. Aber viele meinen halt, MEMS ist MEMS.“

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