Smart Clocking – wohin geht die Reise?

| Autor / Redakteur: Roland Petermann * / Thomas Kuther

Frequenzbestimmende Komponenten: PETERMANN-TECHNIK bietet neben einem umfangreichen Produktspektrum auch Engineering- und Logistikdienstleistungen.
Frequenzbestimmende Komponenten: PETERMANN-TECHNIK bietet neben einem umfangreichen Produktspektrum auch Engineering- und Logistikdienstleistungen. (Bild: © Raimundas - stock.adobe.com)

Der weltweite Markt für Quarze, Oszillatoren und Timing-Produkte ist extrem defragmentiert und beträgt ungefähr 6 Mrd. US-$. Es gibt viele Anbieter und unterschiedlichste Lösungen. Dieser Bericht gibt Auskunft über die preiswerten Trendprodukte und kann als Leitfaden für Neuentwicklungen dienen.

Der weltweite Markt für Quarze, Oszillatoren und Timing-Produkte ist extrem defragmentiert und beträgt ungefähr 6 Mrd. US-$. Er wird in drei Teilbereiche unterteilt: etwa 1/3 deckt der Quarzmarkt ab, etwa 1/3 der Oszillatormarkt (Clock-Oszillatoren) und etwa 1/3 der Timing-Markt (zum Beispiel 32,768 kHz, TCXOs, OCXOs, Differential). Seit über 20 Jahren ist die PETERMANN-TECHNIK als spezialisierter Partner für frequenzbestimmende Bauteile am Markt tätig und bietet nebst einem breiten und tiefen Produktportfolio einen umfangreichen Design-in-Service an, mit dem Ziel, dem Kunden alles aus einer Hand zu bieten und ihm einen sehr schnellen Time-to-Market zu ermöglichen.

Trend zu Miniatur-SMD- Quarzen im Keramikgehäuse

In den letzten Jahren hat eine starke Veränderung von großen, in Metallgehäusen lieferbaren THT- und SMD-Quarzen (Serien HC-49/U, HC-49/US, HC-49/US-SMD) in den Bereich miniaturisierter SMD-Quarze in Keramikgehäusen stattgefunden. Der Bedarf nach höherfrequenten Schwingquarzen in kleineren Gehäusen hat diesen Trend zudem weiter beflügelt. Aktuell ist der im Frequenzbereich von 8,0 bis 64,0 MHz (AT-Grundton) lieferbare SMD-Quarz im 4-pad-Keramikgehäuse mit 3,2 mm x 2,5 mm (Serie SMD03025/4) der am stärksten nachgefragte und günstigste miniaturisierte SMD-Quarz überhaupt. Mit der Serie SMD03025/4 bietet PETERMANN-TECHNIK entsprechende Lösungen für jede Applikation an (Bild 1). Diese widerstandsoptimierten Quarze bieten ein optimales Anschwingverhalten in den definierten Arbeitstemperaturbereichen und können auf Wunsch mit einem Drive Level von bis zu 500 µW (im Frequenzbereich von 12 bis 64 MHz) geliefert werden.

Lösungen sind im Temperaturbereich bis zu –55 bis 125 °C verfügbar. Normalerweise können Quarze nicht per Ultraschall verarbeitet werden. Eine weitere Besonderheit im Produktspektrum der 4-pad-SMD-Quarze mit 3,2 mm x 2,5 mm sind die speziell für das Ultrasonic Welding entwickelten Versionen der Serie SMD03025/4US.

In den vergangenen Jahren hat sich das 4-pad-Gehäuse mit 2,5 mm x 2,0 mm zum SMD03025/4 parallel entwickelt, aber sich nie so richtig durchgesetzt. Wem das 4-pad-Gehäuse mit 3,2 mm x 2,5 mm zu groß ist, kann auf das 4-pad-Gehäuse mit 2,0 mm x 1,6 mm der Serie SMD02016/4 zurückgreifen, das als Trendgehäuse für sehr kleine Applikationen zu sehen ist und zunehmend nachgefragt wird, sodass die Preise für Quarze in diesem Gehäuse bereits fallen. Auch im 4-pad-Gehäuse mit 2,0 mm x 1,6 mm sind die widerstandsoptimierten Quarzdesigns für optimales Anschwingverhalten ausgelegt. Der Entwickler kann auf Versionen mit einem Drive Level von bis zu 400 µW zurückgreifen.

Bei den 32,768-kHz-Quarzen werden auch immer kleinere Gehäuse nachgefragt (Bild 2). Die kleinste Ausführung mit den Maßen 1,2 mm x 1,0 mm steht kurz vor der Markteinführung. Sehr stark werden mittlerweile auch 32,768-kHz-Quarze im Gehäuse mit den Maßen 3,2 mm x 1,5 mm (Serie M3215) und 2,0 mm x 1,2 mm (Serie M2012) mit reduziertem Widerstand nachgefragt. Low-Resistance-32,768-kHz-Quarze, als auch die Standard-Versionen, stehen mit Lastkapazitäten von 4 bis 12,5 pF im Temperaturbereich von –40 bis 125 °C zur Verfügung. Viele Versionen können ab Lager oder kurzfristig geliefert werden. Der Entwickler kann zwischen zwei Frequenztoleranzen bei 25 °C wählen: ±10 ppm (optional) oder ±20 ppm (Standard).

Silizium-Oszillatoren werden immer beliebter

Bei PETERMANN-TECHNIK boomt auch das Produktspektrum Oszillatoren, im Besonderen der Bereich der Silizium-Oszillatoren. Die Entwickler fordern immer mehr sehr kleine, extrem langlebige und hochgenaue Lösungen in immer höheren Temperaturbereichen. Quarze können diese Anforderungen technologiebedingt nicht mehr erfüllen. Zur Beschaltung des Quarzes werden zwei externe Kapazitäten benötigt, die Platz auf der PCB benötigen.

Andererseits steigt der Widerstand bei immer kleineren Gehäusen an, was die Anschwingzeit reduziert. Zudem liegt bei MHz-Quarzen die kleinste Frequenztoleranz bei 25 °C ±10 ppm, beziehungsweise die Temperaturstabilitäten bei ±10 ppm bei –20 bis 70 °C, ±15 ppm bei –40 bis 85 °C, ±30 ppm bei –40 bis 105 °C und ±50 ppm bei –40 bis 125 °C. Die Quarzalterung beträgt je nach Version maximal ±10 ppm nach zehn Jahren. Ein ab Lager lieferbarer Standard-Silizium-Clock-Oszillator im 4-pad-Gehäuse mit 2,0 mm x 1,6 mm zum Beispiel hat die Frequenzstabilität von ±20 ppm bei –40 bis 85 °C (darin enthalten sind die Frequenztoleranz bei 25 °C, die Temperaturstabilität über –40 bis 85 °C, die Alterung nach dem ersten Jahr, sowie Frequenzänderungen hervorgerufen durch VDD- und Lasttoleranzen) mit einer Alterung von ±3 ppm nach zehn Jahren.

Dezidierte Standard-Silizium-Oszillator-Versionen sind ab ±10 ppm bei –40 bis 85 °C, beziehungsweise ±20 ppm bei –55 bis 125 °C mit sehr geringem Jitter lieferbar. Zudem können Oszillatoren Lasten von bis zu 15 pF treiben, sodass ein Oszillator gleichzeitig mehrere ICs mit derselben Frequenz takten kann (Bild 3).

CMOS-IC-Siliziumoszillatoren mit Micro-Silizium-Resonator

Neben den Quarzoszillatoren (XO, TCXO, VC-TCXO, VCXO, OCXO) beinhaltet das Portfolio auch Silizium-Oszillatoren. Silizium-Oszillatoren sind Halbleiter und verwenden einen Micro-Silizium-Resonator mit sehr geringer Schwingungsenergie zur Takterzeugung. Dadurch und basierend auf analoger CMOS-IC-Technologie, lassen sich nicht nur sehr kleine Versionen fertigen, sondern es ist auch die Performance dieser preiswerten Silizium-Oszillatoren sehr gut. Die MTBF beträgt 1140 Mio. Stunden (FIT 0,88) und setzt die Bestmarke in der Branche. Im Vergleich zu Quarzoszillatoren, sind die Silizium-Oszillatoren 30-mal unempfindlicher gegen Schock und Vibration sowie 54-mal unempfindlicher gegen externe elektromagnetische Felder.

Zudem ist die Alterung zehnmal geringer. Je nach Ausführung können die Silizium Oszillatoren zum Beispiel zehn Jahre durch eine Knopfzelle versorgt werden. Diese Silizium-Oszillatoren sind Smart-Clocking-Devices und Pin-to-Pin-kompatibel zu Quarz- und MEMS-Oszillatoren.

Für Neuentwicklungen und als Ersatz von Quarz- und MEMS-Oszillatoren sind die SMD-Silizium-Oszillatoren die beste und langlebigste Wahl. Zudem können die Spezialisten der PETERMANN-TECHNIK aufzeigen, wie durch die entsprechende Dimensionierung des Oszillators multiple Kosten eingespart werden können. Der Produktbereich Silizium-Oszillatoren umfasst u.a. Ultra-Low-Power-Oszillatoren (kHz + MHz), Low-Power-Clock-Oszillatoren, Ultra-Performance-Oszillatoren, Differential-Oszillatoren, Spread-Spectrum-Oszillatoren, TC- und VCTCXO, High-Temperature-Oszillatoren (Versionen von bis zu 155 °C werden aktuell getestet), High-Precision-Oszillatoren (Splendid Serie) sowie Automotive-Oszillatoren (AECQ100).

Low-Power-Silizium-Clock- Oszillatoren

Im Untersegment Low-Power-Silizium-Oszillatoren sind jitteroptimierte Versionen im Frequenzbereich von 1,0 bis 137,0 MHz mit Temperaturstabilitäten von ±20 ppm bei –40 bis 85 °C (Serie LPO), ab ±20 ppm, –40 bis 105 °C bis zu –55 bis 125 °C (Serie HTLPO) sowie AEC100 Automotive-Oszillatoren der Serien LPO-AUT (-40 bis 85 °C) und HTLPO-AUT (–40 bis 105 °C sowie –55 bis 125 °C) enthalten. Die MTBF beträgt 1140 Mio. Stunden. Die CMOS-IC-Technologie dieser Oszillatoren ermöglicht es zum Beispiel über die sogenannte Soft-Level-Funktion das EMV-Verhalten der entsprechenden Versionen deutlich zu verbessern. Mit einer Verlängerung der Rise/Fall-Time um bis zu 45% beträgt die EMV-Dämpfung bei der 11. harmonischen Oberwelle über –60 dB. Ein enormer Wert für so eine einfache und für den Kunden kostenlose Anpassung der trise und tfall.

Obwohl die Low-Power-Silizium-Oszillatoren in verschiedenen Standardgehäusen zwischen 2,0 mm x 1,6 mm und 7,0 mm x 5,0 mm lieferbar sind, wird für Neuentwicklungen dem Applikationsdesigner die entsprechende Oszillator-Version im 2,0 mm x 1,6 mm oder maximal im 2,5 mm x 2,0 mm Gehäuse, mit dem breiten Versorgungsspannungsbereich von 2,25 bis 3,63 VDC (-xx- in der Artikelbezeichnung), der Frequenzstabilität von ±20 ppm bei –40 bis 85 °C, ±30 ppm bei –40 bis 105 °C, ±30 ppm bei –40/125 °C und ±50 ppm bei –55 bis 125 °C, mit seiner gewünschten Frequenz vorgeschlagen. Funktion des Pin 1 ist Stand-by.

Auch wenn die Stand-by-Funktion nicht zwingend notwendig ist. Der Grund: Der Beschaltungsaufwand des Pins 1 ist sehr gering in Relation der möglichen Preiseinsparung. Normalerweise befinden sich Lagermengen mit der Stand-by-Funktion in größeren Stückzahlen am Lager, sodass sehr kurzfristig und preiswert geliefert werden kann. Oszillatoren ohne Stand-by-Funktion an Pin 1 werden in der Regel auftragsbezogen in der benötigten Menge gefertigt, was normalerweise deutlich teurer ist. Sollten mal keine Lagermengen vom Wunschoszillator vorhanden sein, so beträgt der Standard-Liefertermin, auch für kundenspezifische Produkte vier bis maximal sechs Wochen (Bild 4).

Ultra-Performance-Silizium-Oszillatoren

Die im Frequenzbereich von 1,0 bis 220 MHz lieferbaren Ultra-Performance-Oszillatoren verfügen ebenfalls über die bereits beschriebene SoftLevel-Funktion. Die CMOS-ICs ermöglichen einen reduzierten Jitter von 0,5 ps in der Integrationsbandbreite von 12 kHz bis 20 MHz, sodass diese Oszillatoren in allen jitterkritischen Applikationen verwendet werden können. Lieferbar sind die Ultra-Performance-Silizium-Oszillatoren mit Frequenzstabilitäten von bis zu ±10 ppm bei –40 bis 85 °C. Die Alterung beträgt ±5 ppm nach zehn Jahren.

Differenzial- Silizium-Oszillatoren

Klassischerweise werden die im Frequenzbereich von 1,0 bis 725 MHz verfügbaren Differential-Oszillatoren nicht mehr ausschließlich in Telecom-, Neworking-, Video-, Storage- und Serverapplikationen eingesetzt, sondern immer mehr auch in Automotive-Applikationen (AECQ100). Die Differential-Oszillatoren bieten LVPEC, LVDS- oder HCSL-Ausgangssignale mit einem Jitter von typisch 0,23 ps (156,25 MHz bei 12 kHz bis 20 MHz). Frequenzstabilitäten sind ab ±10 ppm bei –40 bis 85 °C, beziehungsweise ab ±25 ppm bei –40 bis 105 °C für Automotive-Ausführungen lieferbar. Differential-Silizium-Oszillatoren sind in den sechspoligen Standard-Gehäusen mit den Maßen 3,2 mm x 2,5 mm, 5,0 mm x 3,2 mm und 7,0 mm x 5,0 mm, mit Versorgungsspannungen im Bereich von 2,25 bis 3,63 VDC lieferbar.

Quarzbasierte TCXOS und VC-TCXOS

Sollte der Entwickler keine extrem großen Frequenzsteuerspannungsbereiche von bis zu 1600 ppm benötigen, dann sind die quarzbasierten TCXOs und VC-TCXOs im Frequenzbereich von 9,6 bis 60 MHz immer noch die beste und günstigste Wahl. Diese in Keramikgehäusen mit den Maßen 3,2 mm x 2,0 mm, 2,5 mm x 2,0 mm, 2,0 mm x 1,6 mm oder gar 1,6 mm x 12 mm lieferbaren hochgenauen Oszillatoren haben standardmäßig eine Temperaturstabilität von ±0,5 ppm bei –40 bis 85 °C und eine Alterung von ±1,0 ppm nach dem ersten Jahr. Der Versorgungsspannungsbereich beträgt 1,6 bis 3,63 VDC. Das Keramikgehäuse mit 2,5 mm x 2,0 mm ist das günstigste und wird für die Verwendung in Neuentwicklungen empfohlen, sofern kein kleineres Gehäuse benötigt wird.

32,768-kHz-Ultra-Low-Power-Oszillatoren

Nur mit einem hochgenauen und schnell anschwingenden 32,768-kHz-Systemtakt ist eine energiesparende und sehr schnelle Datenkommunikation oder Positionsbestimmung nach dem Sleep Mode möglich. Mit einem 32,768-kHz-Silizium-Oszillator lassen sich in einer batteriebetriebenen, auf der Hibernation-Technology basierenden Lösung über 50% Energie sparen. Eine Knopfzelle zum Beispiel, kann eine Applikation, die mit einem 32,768-kHz-Ultra-Low-Power-Oszillator betrieben wird, bis zu zehn Jahren mit Energie versorgen.

Viele Endprodukte nutzen die Hibernation-Technology, darunter sind zum Beispiel Wearables, per Bluetooth-Low-Energy (BLE) kommunizierende Communication Units für Commercial, Industrial und Automotive, IoT-Applikationen, GPS (Commercial und Automotive), M2M-Kommunikation, Personal-Tracker und medizinische Patientenüberwachungssysteme, Smart Metering, Home Automation, Wireless und so weiter. Am meisten Energie wird in solchen Applikationen durch den stromintensiven Synchronisationsmodus verbraucht, der sehr oft innerhalb definierter Zeitfenster durchgeführt werden muss. Normalerweise werden in solchen Applikationen neben einem hochgenauen MHz-Quarz für den Funk noch zwei 32,768-kHz-Quarze für das Takten der RTC des BLE-Chips sowie eines µCs verwendet. Ein 32,768-kHz-Quarz hat technologiebedingt nur ein sehr schlechtes Temperaturverhalten und die Frequenz wird sofort durch Streukapazitäten oder sich ändernde Kapazitätsverhältnisse in der Schaltung verzogen, sodass die Frequenzdrift eines 32,768 kHz sehr groß ist. Dementsprechend oft muss stromverbrauchsintensiv synchronisiert werden.

Durch die Verwendung von Ultra-Low-Power-32,768-kHz-Oszillatoren (Serien ULPO-RB1, ULPO-RB2 und ULPPO) ist dies nicht mehr der Fall, denn die ab einer Temperaturstabilität von ±5 ppm im Bereich –40 bis 85 °C lieferbaren 32,768-kHz-Ultra-Low-Power-Oszillatoren ermöglichen es der Applikation, deutlich weniger oft synchronisiert werden zu müssen (deutliche Erweiterung der Hybernation Time), was über 50% der Systemenergie einspart. Zudem kann die Platine verkleinert werden, denn ein 1,5 mm x 0,8 mm großer 32,768-kHz-Oszillator kann gleichzeitig die RTC und den µC takten und ist im Vergleich zu einem 32,768-kHz-Quarz mit 2,0 mm x 1,2 mm mit externen Beschaltungskapazitäten, um 85% kleiner.

Die im VDD-Bereich von 1,5 bis 3,63 VDC lieferbaren Ultra-Low-Power-Oszillatoren 32,768 kHz haben je nach Ausführung einen Stromverbrauch von weniger als 1 µA und ermöglichen zudem ein sehr schnelles und sicheres Anschwingen der zu taktenden ICs.

* Roland Petermann ist geschäftsführender Gesellschafter der PETERMANN-TECHNIK GmbH in Landsberg am Lech.

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