Schwingquarze Trends bei Taktgebern: Kleiner und frequenzstabiler

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

Größe und Frequenzstabilität von Taktgebern beeinflussen die Maße und den Strombedarf eines Endgeräts. Insbesondere die Entwickler von batteriebetriebenen Produkten benötigen präzise und kompakte Frequenzgeber – ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik auf dem Markt der Schwingquarze.

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SMD-Quarze: Immer kleinere Gehäuse und höhere Frequenzstabilität liegen im Trend.
SMD-Quarze: Immer kleinere Gehäuse und höhere Frequenzstabilität liegen im Trend.
(Bild: Petermann)

Schwingquarze wurden Anfang der 1920er Jahre zu praxistauglichen Quarzen für die Verwendung in der Funktechnik entwickelt. Heute sind Quarze in unserem modernen, technologischen Leben einfach nicht mehr weg zu denken. In den letzten Jahren hat eine starke Veränderung von großen THT- und SMD-Quarzen in Metallgehäusen in den Bereich miniaturisierter SMD-Quarze in Keramikgehäusen stattgefunden. Der Bedarf nach höherfrequenten Schwingquarzen in kleineren Gehäusen hat diesen Trend weiter beflügelt. Dank technologischer Fortschritte und mehrerer Innovationen in der Herstellung wurde es möglich, die Baugröße der Schwingquarze ohne Abstriche bei der Performance oder Kosten erheblich zu verringern.

Aktuell wird der Formfaktor 3,2 mm x 2,5 mm in Applikationen jeder Art stark eingesetzt, meist in Verbindung mit Widerstandsoptimierung der Quarze für ein optimales Anschwingverhalten in den definierten Arbeitstemperaturbereichen und in dem Frequenzbereich von 8,0 bis 64,0 MHz (AT-Grundton). Sie können mit einem Drive-Level von bis zu 500 µW (im Frequenzbereich von 12,0 bis 64,0 MHz) betrieben werden. Für besonders anspruchsvolle Applikationen sind Bauteile mit Fre quenztoleranzen bis zu ±10 ppm und einem Temperaturbereich von -55 bis 125 °C verfügbar.

In den vergangenen Jahren hat sich der SMD-Quarz im Keramikgehäuse mit den Abmessungen von 2,5 x 2,0 mm-Gehäuse(4-Pad) zum 3,2 x 2,5 mm-Gehäuse(4-Pad) parallel entwickelt, aber sich nie richtig durchgesetzt. Ist ein Gehäuse mit 3,2 mm x 2,5 mm zu groß, kann auf das Hochvolumenprodukt im 2,0-mm-x-1,6-mm-Gehäuse(4-Pad) zurückgegriffen werden. Dieser Gehäusetyp liegt für sehr kleine Applikationen stark im Trend. Die Quarzdesigns in diesem Formfaktor sind ebenfalls widerstandsoptimiert und für optimales Anschwingverhalten ausgelegt. Der Entwickler kann Versionen mit einem Drive-Level von bis zu 400 µW anwenden.

Der Trend zu kleineren Gehäusen und höheren Frequenzstabilität zeichnet sich auch bei den Uhrenquarzen ab. Die kleinste Ausführung mit den Abmessungen von 1,2 mm x 1,0 mm steht kurz vor der Markteinführung. Sehr starke Anwendung in Endgeräten finden mittlerweile auch 32,768-kHz-Quarze im Gehäuse mit 3,2 mm x 1,5 mm- und 2,0 mm x 1,2 mm mit reduziertem Widerstand. Low-Resistance-Quarze mit 32,768 kHz und auch die Standardversionen stehen mit Lastkapazitäten von 4 bis 12,5 pF im Temperaturbereich von -40 bis 125 °C auf dem Quarzmarkt zur Verfügung. Der Entwickler kann zwischen zwei Frequenztoleranzen bei 25 °C wählen: ±10 ppm (optional) oder ±20 ppm (Standard).

Immer mehr IC-Hersteller bauen auf SMD-Quarze mit integrierten Thermistoren, zum Beispiel im Keramikgehäuse mit 2,0 mm x 1,6 mm. Diese Quarze finden immer mehr Verwendung in batteriebetriebenen Kommunikationsprodukten und ersetzen stromverbrauchende (bis zu 2 mA) temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXO).

Schlussfolgernd lässt sich feststellen, dass in den letzten Jahren in der Entwicklung von Quarzen das scheinbar Unmögliche geschafft wurde: Die Miniaturisierung der Gehäusegrößen wurde ohne Leistungsreduzierung oder Kostensteigerung vorangetrieben und quasi nebenbei wurden die technologischen Fortschritte der Elektronikbranche genutzt, um immer weitere innovative Lösungen im Produktdesign zur Marktreife zu begleiten. Das Ergebnis ist eine immer höhere Frequenzstabilität bei immer kleineren Gehäusegrößen.

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