Clock-Oszillatoren

Bild 1: Petermann-Technik bietet ein umfangreiches Produktspektrum „Frequency Controlled Products“ in Kombination mit Engineering- und Logistikdienstleistungen an. Petermann-Technik

Der Smart-Clocking-Markt 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 (Eigenschreibweise: PETERMANN-TECHNIK) nun schon als hochpezialisierter 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.

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 Keramikgehäuse 3,2 mm x 2,5 mm/4-pad (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 2). 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 3,2 mm x 2,5 mm/4-pad-SMD-Quarze sind die speziell für das Ultrasonic Welding entwickelten 3,2 mm x 2,5 mm/4-pad-Quarze der Serie SMD03025/4US.

Clock-Oszillatoren

Bild 2: Preisreduktionen bei SMD-Quarzen in Keramikgehäusen forcierten den Switch von großen im Metall gehäusten THT- und SMD-Quarzen. Der 3,2 mm × 2,5 mm Quarz, Serie SMD03025/4 kann als einziger Quarz weltweit in Enderzeugnissen verwendet werden, die per Ultraschall verschlossen werden. Petermann-Technik

In den vergangenen Jahren hat sich das 2,5 mm x 2,0 mm/4-pad-Gehäuse zum SMD03025/4 parallel entwickelt, aber sich nie so richtig durchgesetzt. Wem das 3,2 mm x 2,5 mm/4-pad-Gehäuse zu groß ist, kann auf das 2,0 mm x 1,6 mm/4-pad-Gehäuse der Serie SMD02016/4 zurückgreifen. Das 2,0 mm x 1,6 mm/4-pad-Gehäuse ist als neues Trendgehäuse für sehr kleine Applikationen zu sehen und wird steigend nachgefragt, sodass sich die Preise für Quarze in diesem Gehäuse bereits reduzierten. Auch im 2,0 mm x 1,6 mm/4-pad-Gehäuse 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 3). Die kleinste Ausführung mit den Abmessungen von 1,2 mm x 1,0 mm steht kurz vor der Markteinführung. Sehr stark werden mittlerweile auch 32,768-kHz-Quarze im 3,2 mm x 1,5 mm Gehäuse (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 innerhalb kurzer Liefertermine geliefert werden. Der Entwickler kann zwischen zwei Frequenztoleranzen bei +25 °C wählen: ±10 ppm (optional) oder ±20 ppm (Standard).

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 2,0 mm × 1,6 mm/4-pad-Gehäuse 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 4).

Clock-Oszillatoren

Bild 3: 32,768-kHz-Quarze sind in unterschiedlichsten Gehäusen, auch als low resistance Versionen für Industrie- und Automotive-Applikationen ab Lager lieferbar. Petermann-Technik

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 Millionen 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. Die innovativen 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 beinhaltet unter anderem 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).

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