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Taktgeber Sechs Gründe, warum Sie auf Silizium-MEMS als Zeitreferenz setzen sollten

Autor / Redakteur: Axel Gensler, Dr. Aaron Partridge * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Lange gaben Quarzoszillatoren in elektronischen Systemen den Takt vor. Diese werden aber mehr und mehr von MEMS-Oszillatoren verdrängt – und das hat gute Gründe.

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Ein MEMS-Oszillator im Chip-Scale-Package: leistungsfähig, funktional, zuverlässig, hoch vervügbar, kostengünstig und es lassen sich MEMS-Resonatoren integrieren.
Ein MEMS-Oszillator im Chip-Scale-Package: leistungsfähig, funktional, zuverlässig, hoch vervügbar, kostengünstig und es lassen sich MEMS-Resonatoren integrieren.
(Bild: Endrich)

Timing-Bauelemente sind der Herzschlag in digitalen elektronischen Systemen, erzeugen sie doch das Taktsignal, an dem sich alle anderen Signale synchronisieren. In den letzten Jahrzehnten basierten die Bauelemente auf Quarzkristallen, entweder in Form von Resonatoren (einem mechanische Vibrationselement) und/oder von Oszillatoren (einem Quarzresonator in Verbindung mit einer elektrischen Schaltung).

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Quarz-Kristalle für Taktgeber werden von Unternehmen hergestellt, die in hohem Maße auf die Produktion der Kristalle und deren Bearbeitung spezialisiert sind. Die Kernkompetenz dieser Quarzhersteller liegt in der Präzisionsfertigung und dem Schneiden von Quarzkristallen, um sicherzustellen, dass sie mit der richtigen Frequenz und stabil über der Temperatur arbeiten.

Quarz-Hersteller haben bei der Erfüllung dieser grundlegenden und wesentlichen Bedürfnisse gute Arbeit geleistet. Allerdings können diese Unternehmen nicht mit der Halbleiterindustrie in Bezug auf Leistungsverbesserung und Funktionsmöglichkeiten Schritt halten.

Sie sind nicht darauf vorbereitet, mit der Vielfalt der Bauteile, den schnellen Durchlaufzeiten und den Kostenvorteilen, die sich aus der Halbleiterfertigung ergeben, zu folgen. Die Entwicklung von Silizium-MEMS (mikroelektromechanische Systeme) hat die Tür für radikale Verbesserungen der einst biederen Timing-Industrie geöffnet. MEMS Timing-Lösungen ersetzen aufgrund der vielen Vorteile zunehmend die Quarzprodukte. Dieser Beitrag beschreibt die wichtigsten sechs Gründe, Silizium-MEMS-Timing-Lösungen als Zeitreferenz zu nutzen (Bild 1):

  • Höhere Leistungsfähigkeit,
  • bessere Funktionalität,
  • höhere Zuverlässigkeit,
  • bessere Verfügbarkeit,
  • günstigere Preise,
  • SoC-Integration.

MEMS-Oszillatoren sind leistungsfähiger

Die Genauigkeit von Quarzoszillatoren, ist in der Regel auf ca. ±20 ppm beschränkt. Zudem erstreckt sich der Frequenzbereich speziell in kleinen Gehäusen auf einen Bereich von 10 bis 60 MHz. Der Jitter liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 2 ps, integriert über 12 kHz bis 20 MHz. Diese Einschränkungen gelten aufgrund der mechanischen Grenzwerte der Quarze.

Diese Limitierung kann zwar in besonderen Fällen überschritten werden, was aber die Kosten deutlich erhöht. MEMS-Oszillatoren unterliegen dagegen nicht diesen Grenzen, da sie eine programmierbare analoge Architektur verwenden. So unterstützt zum Beispiel eine Schaltung mit MEMS-Oszillator-Architektur Frequenzen von 1 bis 625 MHz.

Es gibt auch subtile Probleme in Quarz, die in Silizium-MEMS nicht auftauchen, z.B das Phänomen der Activity Dips: Quarze, die bei 25 °C einwandfrei arbeiten, können bei Änderung der Temperatur einen erhöhten Resonanzwiderstand und stärkere Frequenzsprünge aufweisen, und zwar um Zehntel ppb (parts per billion). In Low-Cost-Kristallen ist dieses Verhalten eher noch gravierender, dort können Sprünge von 1 ppm auftreten. Activity Dips lassen sich nur schwer detektieren und noch schwerer vorhersagen oder beseitigen (Bild 2).

Dass Activity Dips entstehen, liegt daran, wie sich die Wellen seitwärts durch den Quarz ausbreiten. In der Praxis muss man davon ausgehen, dass alle Quarzresonatoren Activity Dips im Kristall aufweisen. Activity Dips definieren in der Regel die Untergrenze für Kristallstabilität bei etwa 0,1 ppm (100 ppb). In Silizium-MEMS guter Qualität sind dies Activity Dips nicht vorhanden und bieten daher eine bessere Performance.

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