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Oszillatoren Wie die MEMS-Technologie den Oszillatormarkt revolutioniert

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

MEMS-basierende Oszillatoren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Quarz-Oszillatoren eine ganze Reihe von Vorteilen: Sie sind kleiner, unempfindlicher und darüber hinaus kostengünstiger.

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Jauch Quartz GmbH
SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation
Heitec AG
MSC Technologies GmbH

Noch vor kurzem von den etablierten Oszillatoren-Herstellern als bloßes Wunschdenken abgetan und belächelt, entpuppen sich MEMS-basierte Oszillatoren inzwischen auch hinsichtlich Phasenrauschen und Jitterverhalten immer mehr als durchaus ernst zu nehmende Alternative zu klassischen Quarz-Oszillatoren.

Über Resonatoren, Oszillatoren und Taktgeneratoren

Ohne Taktsignal läuft in der Elektronik bekanntlich gar nichts. Das war so und wird auch in Zukunft so bleiben. Dabei werden entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Applikation unterschiedliche Komponenten wie Resonatoren, Oszillatoren oder Taktgeneratoren als Referenzsignalquellen genutzt.

Ergänzendes zum Thema
MEMS – die Technologie der Zukunft

Heribert Thammer, Key Account Sales Manager bei MSC:

„Die meisten Entwickler und Einkäufer sind erfahrungsgemäß viel zu konservativ, um sich von heute auf morgen von einer seit Jahrzehnten bewährten Technologie zu verabschieden. Zudem gibt es etliche Anwendungen wie LTE, GPS und High-End-Messtechnik, die aus technischen Gründen auch weiterhin zwingend einen Quarz-Oszillator erfordern. Generell dürfte die Zukunft allerdings MEMS-basierten Resonatoren, Oszillatoren und Clock-Generatoren gehören – schließlich bietet die MEMS-Technologie eine ganze Reihe unbestreitbarer Vorteile wie die Programmierbarkeit aller wichtigen Parameter, kompakte Bauformen, hohe Zuverlässigkeit und bis zu 20% niedrigere Kosten.“

Ergänzendes zum Thema
MEMS-VCXOs mit ±1600 ppm Ziehbereich

Mit Jitterwerten <1 ps, einem Ziehbereich bis ±1600 ppm und einer Linearität von <1% übertreffen die MEMS-Oszillatoren SiT3808 und 3809 von SiTime (Vertrieb: MSC) herkömmliche Quarz-VCXOs deutlich. Der SiT3808 ist für Frequenzen von 1 bis 80 MHz ausgelegt, der SiT3809 für 80 bis 220 MHz. Beide Typen bieten eine Frequenzstabilität bis ±10 ppm und eine Frequenzgenauigkeit bis zur sechsten Dezimalstelle. Der Ausgangsleistungspegel der MEMS-VCOs ist programmierbar. Die MEMS-VCOs sind voll kompatibel zu bestehenden Quarz-VCXOs und für -20 bis 70 °C sowie -40 bis 85 °C verfügbar. Die SiT380X-Familie gibt es in 4-Pin-3225-, 6-Pin-5032- und 6-Pin-7050-Gehäusen. Zur Spannungsversorgung werden 1,8 oder 2,5 bis3,3 V benötigt. Die individuelle Programmierbarkeit einzelner Parameter wie Frequenz, Stabilität, Betriebsspannung, Ziehbereich und Ausgangsleistungspegel ermöglicht in der Regel die Bereitstellung erster kundenspezifischer Muster innerhalb von 48 bis 72 h, die Lieferzeit für Produktionsstückzahlen beträgt etwa drei Wochen.

Der Resonator als Basiskomponente jedes Zeitgebers

Die Basiskomponente jedes Zeitgebers ist der Resonator, ein mechanisch schwingendes Bauelement, das zur Erzeugung des Taktsignals zusätzlich einen separaten Schwingkreis benötigt. Beim Oszillator – er liefert ein einzelnes Taktsignal – ist dieser Schwingkreis zusammen mit dem Resonator in einem kleinen Gehäuse mit vier oder sechs Anschlüssen untergebracht.

Taktgeneratoren sind da schon wesentlich komplexer aufgebaut. Je nachdem, ob einer oder mehrere Taktausgänge generiert werden sollen, beinhalten sie einen oder mehrere Phasenregelkreise (Phase Locked Loop, PLL), dazu kommt noch ein externer Referenzoszillator.

Stabilität der Taktfrequenz und gute Signalqualität sind entscheidend

Welche Variante davon auch zum Einsatz kommt – entscheidend sind letztlich immer die Stabilität der Taktfrequenz und eine möglichst gute Signalqualität, also möglichst kurze Anstiegs- und Abfallzeiten sowie ein präzise wiederholbarer Flankenverlauf. Wenn sich beides auch mit Quarzkristallen sicherstellen lässt, warum also dann auf MEMS-Technologie umsteigen?

Pragmatisch betrachtet gibt es nicht nur einen, sondern eine ganze Reihe von Gründen, die – abgesehen von ganz wenigen High-End-Anwendungen in Bereichen wie LTE, GPS oder High-End-Meßtechnik – einen Umstieg nahelegen. Da ist einmal die überzeugende Technik: MEMS-Oszillatoren sind quarzbasierten XOs, VCXOs oder TCXOs inzwischen hinsichtlich ihrer technischen Werte zumeist nicht nur ebenbürtig. Mit bis zu ±1600 ppm Ziehspannung (VCXO) und einer extrem geringen Linearitätsschwankung von <1% beispielsweise bei VCXOs werden die für Quarz-Oszillatoren typischen Werte teilweise sogar um ein Vielfaches übertroffen.

Gleichzeitig nutzen Hersteller wie SiTime ihr profundes eigenes Analog-CMOS-Knowhow zunehmend, um die Taktgeber mit zusätzlichen, nützlichen Funktionen wie symmetrische Signalausgänge, Spread-Spektrum, Frequenzselektion oder etwa eine SoftDrive-Funktion, welche die Programmierung des Ausgangsleistungssignalpegel ermöglicht, auszustatten. Dadurch lassen sich beispielsweise höhere Lasten treiben und EMI-Störungen reduzieren.

Extrem widerstandsfähige MEMS-Oszillatoren

Beeindruckend auch die Widerstandfähigkeit der MEMS-basierten Komponenten. Selbst Beschleunigungen bis zu 50.000 G, Vibrationen von 70 Grms, Drücke von 600 Bar und Temperaturen von -112 bis 110 °C wurden in umfangreichen Praxistests schadlos überstanden. Darüber hinaus sprechen auch einige interessante wirtschaftliche Aspekte für MEMS-Oszillatoren: Da sie mit Hilfe von Standard-Silizium-Herstellungsprozessen gefertigt werden, kann bei MEMS-Oszillatoren auf keramische Gehäuse und spezielle hermetische Verschlüsse verzichtet werden.

Die Unterbringung in standardisierten Kunststoffgehäusen hat unter anderem natürlich massive Kosteneinsparungen zur Folge. Dazu kommt, dass durch die einfache Programmierbarkeit in Verbindung mit Standard-Fertigungsverfahren die Lieferzeit für x-beliebige Frequenzen selbst bei großen Stückzahlen in der Regeln nur zwei bis drei Wochen beträgt.

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