Quarzoszillatoren – gestern, heute, morgen

| Autor / Redakteur: Hendrik Nielsen * / Thomas Kuther

Die Evolution der quarzbasierten Frequenzgeber: Die Miniaturisierung der Baugrößen wurde vorangetrieben ohne Abstriche bei der Leistung oder den Kosten machen zu müssen und quasi nebenbei wurden die technologischen Fortschritte der Elektronikindustrie genutzt, um immer weitere innovative Lösungen im Oszillatordesign zur Marktreife zu begleiten.
Die Evolution der quarzbasierten Frequenzgeber: Die Miniaturisierung der Baugrößen wurde vorangetrieben ohne Abstriche bei der Leistung oder den Kosten machen zu müssen und quasi nebenbei wurden die technologischen Fortschritte der Elektronikindustrie genutzt, um immer weitere innovative Lösungen im Oszillatordesign zur Marktreife zu begleiten. (Bild: WDI)

Was bei Quarzen und Oszillatoren einst als unmöglich galt, wurde in den letzten Jahrzehnten dank technologischer Fortschritte möglich: immer kleinere Baugrößen ohne Abstriche bei Leistung oder Kosten.

In vielerlei Hinsicht ähneln elektronische Systeme einem lebenden Organismus: Mikrocontroller oder komplexe Prozessoren bilden das Gehirn, durch das Kreislaufsystem fließt elektrische Ladung statt einer Flüssigkeit und ihre Gehäuse bilden eine Art Skelettstruktur und bieten Schutz vor Umwelteinflüssen. Ebenso benötigen diese Systeme aber auch einen taktangebenden Herzschlag. Typischerweise wird hierfür ein Schwingquarz oder Quarzoszillator eingesetzt, dessen korrekte Spezifikation und sorgfältige Auswahl für den zuverlässigen Betrieb des kompletten Systems von entscheidender Bedeutung ist. Aufgrund der technischen Komplexität werden frequenzgebende Produkte (Frequency Control Products = FCP) meist etwas vernachlässigt. Aber auch vor ihnen macht die rasante Entwicklung, die seit Jahrzehnten in der Elektronikbranche herrscht, keinen Halt.

Angefangen hat alles im Jahre 1880 mit der Entdeckung des piezoelektrischen Phänomens – also die Fähigkeit eines Materials, durch angelegten Druck eine Spannung zu erzeugen – durch die Brüder Jacques und Pierre Curie. Dies legte die Grundlage für die Entwicklung des ersten Kristalloszillators, zuerst noch unter Verwendung von Kristallen des Rochellesalzes, im Jahre 1917 durch Alexander M. Nicholson in den berühmten Bell Telephone Laboratories. Die Geburtsstunde des ersten Quarzoszillator war dann im Jahr 1921, als Walter Guyton Cady seine bahnbrechende Erfindung machte.

Durch den Quarz konnten nun, bedingt durch seine sehr guten piezoelektrischen Eigenschaften, gleichbleibende Taktsignale erzeugt werden. Abhängig davon, wie ein Quarzkristall mechanisch manipuliert wird, hat er eine genau definierte Eigenfrequenz, auf die er schwingt, wenn ein elektrischer Impuls durch den Kristall geleitet wird. Die Schwingungsstabilität, die ein angeregter Quarzkristall aufrechterhalten kann, macht Quarz zu einer idealen Taktquelle.

Das Herzstück des von Cady entwickelten Oszillators bildet der Schwingquarz, welcher durch den piezoelektrischen Effekt in Schwingung versetzt wird. 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, Stärke und Form des Quarzkristallblättchens, auch Blank genannt, sowie den Materialkonstanten bestimmt.

Obwohl die grundlegenden Naturgesetze, die für die stabile Leistung des Quarzes verantwortlich sind, konstant bleiben, sind auch die auf Quarz basierenden Oszillatoren, parallel zu den diversen Fortschritten, die in der Elektronikindustrie im Laufe der Jahrzehnte erzielt wurden, stetig weiterentwickelt worden. Anfangs waren Oszillatoren noch sehr groß. Die bisher diskret aufgebaute Oszillatorschaltung mit Widerständen, Kondensatoren und dem Schwingquarz beanspruchte viel Platz auf der Leiterplatte.

Erst mit dem Auftreten integrierter Schaltkreise war es möglich, Quarzoszillatoren zu der heute bekannten „All-in-One“-Lösung weiterzuentwickeln, bei der sämtliche für die Oszillatorschaltung benötigten Komponenten in einem kompakten Gehäuse vereint und optimal aufeinander abgestimmt sind. Als die ersten Quarzoszillatoren die Marktreife erlangten, waren sie mit etwa 20 mm x 20 mm noch erheblich größer als wir sie heute kennen. Dank des Mooreschen Gesetzes und der Miniaturisierung der Halbleiterprozesstechnik findet ein kompletter Quarzoszillator heutzutage in Gehäusen mit Baugrößen bis hinunter zu 1,6 mm x 1,2 mm Platz.

Neben der Fähigkeit, immer kleinere Quarzoszillatoren und integrierte Schaltkreise herzustellen, hat der Quarzoszillator im Laufe der Jahre auch durch viele andere technologische Fortschritte seinen Platz als führende Taktquelle für elektronische Systeme behaupten können:

  • kleinere Gehäuse,
  • verbesserte Frequenzstabilität,
  • Integration der Phasenregelschleife,
  • Programmierbarkeit,
  • Mehrfrequenzausgänge.

Quarzoszillatoren werden immer kompakter

Historische Quarze aus den 1960er bis 1980er Jahren zur Durchsteckmontage (THT).
Historische Quarze aus den 1960er bis 1980er Jahren zur Durchsteckmontage (THT). (Bild: WDI)

Durch mehrere Innovationen in der Herstellung wurde es möglich, die Baugröße der Quarzoszillatoren erheblich zu verringern. Eine der Wichtigsten ist die Möglichkeit, sie zu Modulen zusammenzufügen. Dabei werden nicht nur der Schwingquarz und die zugehörigen Schaltkreise in einem kleinen Gehäuse zusammengefasst, sondern auch der zerbrechliche Quarzkristall auf kleinstem Raum geschützt, während er sich in unmittelbarer Nähe der notwendigen integrierten Schaltung befindet. Darüber hinaus kann das Gehäuse helfen Umwelteinflüsse zu minimieren sowie Schock und Vibrationen standzuhalten, um dauerhaft einen zuverlässigen Betrieb des Oszillators zu gewährleisten und seine Störanfälligkeit zu verringern.

Eine hohe Frequenzstabilität ist entscheidend

Auch wenn Quarzkristalle in Bezug auf ihre Eigenschwingfrequenz von Natur aus äußerst stabil sind, können dennoch minimale Abweichung von Kristall zu Kristall auftreten. Typischerweise misst man diese Abweichung in ppm oder ppb. Bei einem herkömmlichen Quarzoszillator (XO) kann man von Frequenzschwankungen ausgehen, die sich innerhalb von 50 oder 25 ppm bewegen. Oszillatoren besserer Qualität sind aber auch mit bis zu 10 ppm erhältlich.

Für Anwendungen, die ein exakteres Signal erfordern, kann eine bessere Stabilität noch durch verbesserte Kristallschneideprozesse oder das Einsetzen eines Temperatursensors (TCXO) bzw. eines Ofens (OCXO) erreicht werden. Auf diese Weise kann die Frequenzstabilität auf 0,5 ppm und sogar bis in den ppb-Bereich gesenkt werden.

Die Phasenregelschleife (PLL) als Schlüsselinnovation

Oszillatorschaltung am Beispiel des Pierce-Gate-Oszillators.
Oszillatorschaltung am Beispiel des Pierce-Gate-Oszillators. (Bild: WDI)

Eine der Schlüsselinnovationen bei der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Quarzoszillatoren war die Einführung der PLL-Technologie in die integrierten Schaltungen der Oszillatoren. Ohne PLLs ist die maximale Frequenz, die Quarzoszillatoren zuverlässig liefern können, auf ein Vielfaches der Eigenfrequenz des zugehörigen Quarzkristalls beschränkt. Durch die Verwendung von PLLs können nun auch höhere Frequenzen – bis in den Gigahertzbereich – für modernste Hochfrequenzanwendungen erreicht werden, ohne die gewohnte und geschätzte Stabilität und Leistung der Quarzoszillatoren zu beeinträchtigen.

Auf Kundenanforderungen programmierbar

Mit der Einführung von PLLs in Quarzoszillatoren können Hersteller von Quarzoszillatoren höhere, auch die für die Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung und -Kommunikation erforderlichen Frequenzen erzeugen und diese dann den Kundenanforderungen entsprechend auf kleinere Frequenzen umprogrammieren. Für den Kunden bedeutet dies, dass auch Kleinststückzahlen mit geringer Vorlaufzeit erhältlich sind.

Aufbau eines traditionellen Quarzoszillators.
Aufbau eines traditionellen Quarzoszillators. (Bild: WDI)

Mehrfrequenzausgänge dank moderner IC-Technologie

Während herkömmliche Quarzoszillatoren nur eine einzige Ausgangsfrequenz bereitstellen können, ist es durch den Einsatz neuerer IC-Technologie möglich, Quarzoszillatoren mit mehreren Frequenzausgängen herzustellen. Es gibt sogar die Möglichkeit, dass jeder Frequenzausgang eine andere Frequenz ausgeben kann. Durch die Integration von Oszillatoren mit Mehrfrequenzausgängen in heutigen komplexen Systemen, die mehrere Taktquellen für einen oder mehrere Prozessoren und Kommunikationsverbindungen benötigen, kann eine erhebliche Senkung der Produktionskosten und enorme Platzeinsparungen erzielt werden, ohne aber die Leistung und Zuverlässigkeit des Systems zu beeinträchtigen.

Mittlerweile stehen den Anwendern neben den seit Jahren bewährten quarzbasierten Oszillatoren auch immer mehr MEMS-basierte Alternativen auf dem Markt zur Verfügung. Bei einem MEMS-Oszillator wird anstelle des Schwingquarzes ein MEMS-Resonator aus Polysilizium eingesetzt, das im Gegensatz zu Quarz nicht piezoelektrisch ist. Stattdessen basiert der Resonator auf einer mechanischen Struktur, die im speziellen Halbleiterprozess auf einem Silizium-Wafer hergestellt wird. Die Seitenwände der MEMS-Resonatorstruktur bilden eine Kapazität gegenüber den äußeren feststehenden Elektroden. Durch ein elektrisches Feld wird die nur 250 µm große Resonatorstruktur zum Schwingen angeregt. MEMS-Oszillatoren arbeiten immer mit einer indirekten Frequenzerzeugung. Dazu verfügt der Oszillator-ASIC über eine programmierbare PLL, die Ausgangsfrequenzen beispielsweise im Bereich von 1 bis 150 MHz bei einer Schrittweite von typischerweise 100 Hz generiert.

Heutige Hochleistungsoszillatoren in Miniaturgehäusen zur SMD-Montage.
Heutige Hochleistungsoszillatoren in Miniaturgehäusen zur SMD-Montage. (Bild: WDI)

Die MEMS-basierte Variante ist, wie die altbewährten quarzbasierten Oszillatoren, problemlos für die meisten Standardanwendungen geeignet. Jedoch ist zu beachten, dass sie ein vergleichsweise hohes Phasenrauschen und einen höheren Jitter aufweisen können. Wird die Frequenz eines Oszillators, wie bei MEMS üblich, mithilfe einer PLL erzeugt, hat das Ausgangssignal meist höhere Werte für Jitter bzw. Phasenrauschen als bei direkter, ausschließlich quarzbasierter Frequenzerzeugung. Andererseits können MEMS-Oszillatoren mit einer geringeren Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und einer sehr hohen Vibrationsfestigkeit von bis zu 10.000 g und mehr überzeugen.

Diese Vibrationsbeständigkeit von MEMS-Oszillatoren ist dadurch bedingt, dass die Masse eines MEMS-Resonators ungefähr 1000- bis 3000-mal niedriger ist als die Masse eines Quarzresonators. Dies bedeutet, dass eine gegebene Beschleunigung durch Schock oder Vibration bei einer MEMS-Struktur zu einer viel geringeren Kraft als bei einem quarzbasierten Resonator führt und daher eine viel niedrigere Frequenzverschiebung hervorgerufen wird. Die hohe mechanische Belastbarkeit ist der wesentliche Vorteil der MEMS-Oszillatoren. Durch diese Eigenschaft sind MEMS-Oszillatoren konstruktionsbedingt besser geeignet für Anwendungen in rauer Umgebung, mit hohen Schock- und Vibrationsbelastungen, als viele Quarzoszillatoren.

Aufbau eines MEMS-basierten Oszillators.
Aufbau eines MEMS-basierten Oszillators. (Bild: WDI)

Herkömmliche Quarzoszillatoren zeichnen sich, im Gegensatz zu MEMS-basierten Oszillatoren, durch ihre sehr gute Kurzzeitstabilität (10-9 bis 10-11) sowie ein geringes Phasenrauschen und geringeren Jitter aus. Langjährige Erfahrungen zeigen, dass bei qualitativ hochwertigen Quarzoszillatoren in Bezug auf Langzeitstabilität, Alterungsverhalten und Zuverlässigkeit nicht mit nennenswerten Abweichungen zu rechnen ist. Der altbewährte Quarzoszillator eignet sich daher unter anderem hervorragend für viele Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Datenübertragung, Audio und Messtechnik.

Was als unmöglich galt, ist heute machbar

In den letzten Jahrzehnten haben die Hersteller von Quarzen und Oszillatoren möglich gemacht, was eigentlich als unmöglich galt: Die Miniaturisierung der Baugrößen wurde vorangetrieben, ohne Abstriche bei der Leistung oder den Kosten machen zu müssen, und quasi nebenbei wurden die technologischen Fortschritte der Elektronikindustrie genutzt, um immer weitere Lösungen im Oszillatordesign zur Marktreife zu begleiten. Das Ergebnis ist eine immer höhere Nachfrage bei immer weiter sinkenden Verkaufspreisen für die gängigsten Baugrößen. Das Ziel der Hersteller wird es sein, diesen Trend durch immer neuere Entwicklungen und Verbesserungen aufrecht zu erhalten, um sich auch weiterhin gegen aufkommende Alternativen durchzusetzen zu können.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2019 (Download PDF)

* Hendrik Nielsen ist Mitarbeiter im Produktmarketing FCP bei der WDI AG in Wedel bei Hamburg.

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