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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze & Oszillatoren

Quarze & Oszillatoren Moderne Frequenzquellen Warum MEMS-Oszillatoren den Markt der Zukunft bestimmen werden Wer seine Oszillatorschaltung nicht selbst aufbauen möchte, greift zu Oszillatoren, die es in verschiedenen Ausführungen von SPXO über TCXO bis hin zu OCXO gibt. Axel Gensler (Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH) stellt hier die neuesten Trends vor. Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH endrich@endrich.com www.endrich.com Bild 1: Das Grundprinzip beim Quarz-Oszillator liegt im piezoelektrischen Effekt Geschätzte 6 Mrd. U$D (Quelle: SiTime) beträgt der weltweite Markt für Timing-Bauelemente bei einer jährlichen Wachstumsrate von ca. 5%. Auf Quarze und Oszillatoren entfallen dabei ca. 3,5 Mrd. U$D, davon wiederum ca. 1/3 auf Oszillatoren. Diese haben gegenüber Quarzen den Vorteil, dass sie bereits alle Bauelemente zur Erzeugung der Frequenz integrieren. Die herstellerseitige Optimierung der Oszillatorschaltung bringt zudem eine höhere Genauigkeit in die Kundenapplikation und vermindert so den Entwicklungsaufwand. Außerdem lassen sich in extrem kleinen Gehäusen bereits niedrige Frequenzen fertigen. Ist ein handelsüblicher Quarz im 2,5 x 2,0 mm SMD-Gehäuse erst ab Frequenzen von größer/gleich 16 MHz realisierbar, werden Oszillatoren in dieser Bauform bereits ab 32 kHz angeboten, im Falle von MEMS-Oszillatoren gar bis zu 1 Hz. Weiterhin reduzieren neue Fertigungsverfahren die Herstellungskosten, was den Preisunterschied zwischen Oszillator und Quarz, bei dem die externe Beschaltung noch erfolgen muss, zunehmend minimiert. Besonders interessante Möglichkeiten ergeben sich durch die MEMS-Technologie, die bereits in einer Vielzahl von Applikationen die quarzbasierenden Oszillatoren ersetzt. Daher liegt auch die jährliche Wachstumsrate im MEMS Bereich bei beeindruckenden 65%. Verschiedenste Bauformen DIL8 / DIL14 haben ausgedient und wurden durch SMD-Bauformen ersetzt, insbesondere in Bild 2: MEMS Oszillator Aufbau (Quelle: SiTime) der drahtlosen Datenkommunikation, in mobilen Geräten und IoT-Applikationen, die alle nach einer Miniaturisierung bei niedriger Frequenz und hohen Stückzahlen verlangen. Die SMD- Oszillatoren werden in allen gängigen Bauformen vom 7 x 5 mm bis zum 2 x 1.6 mm Gehäuse gefertigt. MEMS-Oszillatoren, die neben den Standardbauformen auch in Gehäusen wie SOT23, SOIC8 oder in superkleinen CSP gefertigt werden, bieten hierzu die beste Lösung. Oszillatoren für die Entwicklung Um in der Entwicklungsphase kurzfristig an Prototypen zu gelangen, sind programmierbare Oszillatoren eine Option. Mit entsprechenden Programmierkits für die R&D-Abteilungen lassen sich programmierbare Oszillatorrohlinge in Sekundenschnelle applikationsspezifisch gestalten. Hier spielen insbesondere die MEMS-Oszillatoren ihre enorme Vielfalt aus, denn diese Bauelemente lassen sich hinsichtlich Frequenz, Toleranz, Temperaturbereich und Versorgungsspannung programmieren. Zudem generiert die Software die korrespondierende Bauteil- 42 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Quarze & Oszillatoren Bild 3: Patentierte DualMEMS Architektur mit rauschfreier Temperatursensorik und Turbo-Kompensation (Quelle: SiTime) bezeichnung, um nach der Entwicklungsphase problemlos mit dem richtigen Bauteil in die Serie wechseln zu können. Quo vadis Oszillator? Das Grundprinzip beim Quarz- Oszillator liegt im piezoelektrischen Effekt: Wird ein elektrischer Impuls über die aufgedampften Elektroden an das Quarzplättchen (Siliciumdioxid, SiO2) gelegt, verformt sich die Kristallgitterstruktur. Dies wiederum hat eine Ladungsverschiebung zur Folge, die ihrerseits ein elektrisches Signal (Spannung) bewirkt. Verstärkt durch einen Inverter (Rückkopplung) fängt der Quarz unter bestimmten Bedingungen an, auf seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Die Frequenz wird dabei maßgeblich durch Größe, Dicke und Form des Quarzkristallblättchens, auch Blank genannt, sowie den Materialkonstanten bestimmt. Dabei steigen die Größe und Dicke des Quarzes mit sinkender Frequenz, Aufbau eines Quarz-Oszillators bzw. in hohen Frequenzen wird der Quarz sehr klein und damit empfindlich. Problematisch sind beim Quarz die Frequenzverschiebung durch den Lötvorgang, die bis zu 5ppm betragen kann, sowie die mechanische Befestigung der Quarzscheibe im Gehäuse, die ihn empfindlich für Erschütterungen macht. Außerdem bereiten Reinigungsverfahren wie Ultraschallbad oder Lötverfahren, z.B. das Dampfphasenlöten, den Quarzprodukten Probleme. Bei MEMS-Lösungen ist der Resonator eine mechanische Struktur, die im speziellen Halbleiterprozess auf einem Silizium- Wafer hergestellt wird. Die Seitenwände der MEMS-Resonatorstruktur bilden eine Kapazität gegenüber den äußeren feststehenden Elektroden. Die nur ca 250 µm große Resonatorstruktur wird durch ein elektrisches Feld zum Schwingen angeregt. Die ebenfalls im Halbleiterprozess hergestellte elektronische Oszillatorschaltung im CMOS- IC misst die Kapazitätsänderung und versetzt den MEMS-Resonator in Schwingung. Entscheidend für den Erfolg ist sicherlich auch, dass sowohl das Design des Resonators als auch das des Mixed Signal CMOS ICs (PLL) bei den MEMS-Oszillatoren durch eine Entwicklungsabteilung erfolgt und damit optimal aufeinander abgestimmt sind. MEMS-Oszillatoren sind prädestiniert für raue Umgebungen MEMS lassen sich wie ICs auf Wafer fertigen. IC-Hersteller müssten ihre Fertigungslinien nur etwas modifizieren, um die Bauteile in großen Stückzahlen produzieren zu können. Dies bringt, neben attraktiven Bauteilpreisen, auch bisher nicht gekannte Zusatzfeatures. MEMS-Oszillatoren sind daher nicht nur eine echte Alternative zu herkömmlichen Oszillatoren und sogar zu Quarzen, sondern bereits heute großflächig im Einsatz. Die Anbieter offerieren Programmiergeräte und entsprechende MEMS-„Rohlinge“, so dass der Anwender in der Designphase binnen Minuten Oszillatoren hinsichtlich Frequenz, Spannungsversorgung, Toleranz etc selbst programmieren kann. MEMS-Oszillatoren enthalten als Kern einen Siliziumbasierenden MEMS Resonator kleinster Abmessungen (Masse 1000 ~ 3000 weniger als ein Quarzblank) und überzeugen daher mit einer überragenden Schock- und Vibrationsfestigkeit. Dies prädestiniert sie für den Einsatz in „rauen“ Umgebungen, bei denen die Applikation Schock, Vibration aber auch schnellen Temperaturschwankungen unterzogen ist. µPower Oszillator Neueste Innovationen kommen insbesondere aus dem Bereich µPower MEMS-Oszillatoren mit Ausgangsfrequenzen zwischen 1 und 26 MHz, die z.B. für den Wearable-, den IoT- oder Mobilmarkt interessant sind. Besonders interessant ist eine neue Lösung von SiTime, der SiT8021. Dieser Baustein nimmt 90% weniger Leistung auf, ist um 40% kleiner und wiegt 70% weniger als herkömmliche Quarz-Oszillatoren. Mit einer Stromaufnahme von 60 µA (f = 3.072 MHz, No load) liegt er um 90% unter den quarzbasierenden Produkten und all das in einem extrem kleinen CSP Gehäuse (1,5 x 0,8 mm²). Er bietet damit eine Größenersparnis um 40%, die Höhe von 0,55 mm ist um 45% geringer, beim Gewicht beträgt die Ersparnis sogar 70% (Masse: 1,28 mg). 32,768 KHz Präzisions-TCXO Der Super TCXOs (SiT156x / 7x) im CSP Gehäuse (1.5 mm x 0.8 mm) bietet mit (±5ppm) eine der exaktesten Timing-Lösungen auf dem Markt, die durch ihre HF-Einkaufsführer 2017/2018 43

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