Clock-Oszillatoren

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

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).

Clock-Oszillatoren

Bild 4: Jeder mögliche Quarzoszillator ist im Produktspektrum der Petermann-Technik enthalten. Petermann-Technik

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 Millionen Stunden. Die innovative 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 45Prozent, 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 im Bereich von 2,0 × 1,6 mm bis 7,0 × 5,0 mm lieferbar sind, wird für Neuentwicklungen dem Applikationsdesigner die entsprechende Oszillator-Version im 2,0 mm × 1,6 mm oder maximal im 2,5 mm × 2,0 mm Gehäuse, mit dem sehr 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 5).

Clock-Oszillatoren

Bild 5: Halbleiter-basierende Silizium-Oszillatoren sind sehr preiswert, variabel und extrem langlebig. Sie ersetzen Schwingquarze und Quarzoszillatoren in immer mehr Applikationen. Petermann-Technik

Zum Beispiel: Auf einen 25-MHz-Clock-Oszillator mit -40 bis +85 °C bezogen bedeutet dies, dass der Entwickler mit der Standard-Frequenzstabilität von ±20 ppm bei -40 bis +85 °C und dem Versorgungspannungsbereich von 2,25 bis 3,63 VDC praktisch alle in seinem Hause anfallenden Clocking-Anforderungen mit ein und demselben Produkt erfüllen kann. Für alle Clockings muss daher nur noch ein Oszillator qualifiziert werden, und nicht mehr wie bisher, für jede Versorgungsspannung und die entsprechende Frequenzgenauigkeit ein eigener Oszillator. Damit kann der Entwickler multiple Design-in und Supply-Chain-Kosten einsparen.

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.

Differential-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 – 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 Abmessungen von 3,2 × 2,5 mm, 5,0 × 3,2 mm und 7,0 × 5,0 mm, mit Versorgungsspannungen im Bereich von 2,25 bis 3,63 VDC lieferbar.

TCxOs und VC-TCxOs

ECK-DATEN

Durch die Wahl der richtigen Produkte und der entsprechenden Services kann sich der Kunde sehr viel Geld einsparen. Petermann-Technik verfügt aktuell über ein sehr breites und tiefes Produktspektrum an frequenzbestimmenden Bauelementen wie Quarze, Oszillatoren, Silizium-Oszillatoren, 32,768-kHz-Lösungen, RTCs, Keramikresonatoren, SAW-Produkten und so weiter. Somit kann das Unternehmen für jede Applikation ein optimales frequenzerzeugendes Bauteil liefern. Egal, ob es sich dabei um Wireless (zum Beispiel ISM, WLAN, Wi-Fi, Zigbee, NFC, KNx, Sigfox), Industrial, Medical, Commercial, Telecom, Network, IoT, Wearables, oder Automotive-Applikationen handelt.

Sollte der Entwickler nicht extrem große 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 Abmessungen von 3,2 mm × 2,0 mm, 2,5 mm × 2,0 mm, 2,0 mm × 1,6 mm oder gar 1,6 mm × 12 mm lieferbaren hochgenauen Oszillatoren verfügen im Standard über 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 2,5 mm × 2,0 mm Keramikgehäuse 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 einer hochgenauen und schnell anschwingenden 32,768-kHz-Systemclock 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 Prozent Strom 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 Prozent der Systemenergie einspart. Zudem kann die Platine verkleinert werden, denn ein 1,5 mm × 0,8 mm großer 32,768-kHz-Oszillator können gleichzeitig die RTC und den µC tackten und ist im Vergleich zu einem 2,0 mm × 1,2 mm 32,768-kHz-Quarz, mit externen Beschaltungskapazitäten, um 85 Prozent 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

Geschäftssführender Gesellschafter von Petermann-Technik

(jj)

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