Silizium-Oszillatoren – Taktgeber der nächsten Generation

Silizium-Oszillatoren verwenden im Allgemeinen keinen klassischen Quarzresonator als Referenztakt, sondern funktionieren vergleichbar wie MEMS-Oszillatoren (Micro-Electro-Mechanical-Systems) und beinhalten einen auf Silizium basierenden hochgenauen patentierten Resonator. Die innovativen und kostengünstigen Silizium-Oszillatoren sind pinkompatibel zu herkömmlichen Quarz- und MEMS-basierten Oszillatoren, haben einen geringen Stromverbrauch und eine sehr hohe Langzeitstabilität sowie überdurchschnittliche Jitter-Werte und eine hohe Zuverlässigkeit.

Petermann-Technik bietet ein sehr breites Produktspektrum an verschiedensten Oszillatortypen an, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen wie sehr geringe Stromaufnahme, hohe Genauigkeit, erweiterter Temperaturbereich. Verfügbar sind auch Spread-Spectrum- und Höchstfrequenz- sowie spannungsgesteuerte und temperaturkompensierte Oszillatoren, Varianten mit differentiellen Ausgängen und umschaltbarer Ausgangsfrequenz.

Oszillatoren stehen je nach Frequenz im Bereich 32 kHz … 800 MHz für den maximalen Temperaturbereich -55 … 125 °C zur Verfügung und sind auch als automotive-taugliche Versionen erhältlich. Silizium-Oszillatoren sind universell verwendbar und können Quarzoszillatoren und andere MEMS-Oszillatortechnologien hundertprozentig ersetzen. Sie erlauben damit in vielen Bereichen der Produktentstehung Kosteneinsparungen und gestalten Applikationen durch die 35-fach höhere Lebensdauer deutlich sicherer.

Temperaturkompensiert und sehr stromsparend

Strombedarf der Ultra-Low-Power-Oszillatoren nach dem Einschalten und im stationären Betrieb. Petermann-Technik

Im 1,5 × 0,8 mm² oder im 2,0 × 1,6 mm² großen Gehäuse verfügen die revolutionären ULPXOs (Ultra Low Power Crystal Oscillator) und ULPTCXOs (Ultra Low PowerTemperature Compensated XO) mit 32,768 kHz über einen extrem niedrigen Stromverbrauch von 1 µA und sind mit Stabilitäten ab ±5 ppm für den Temperaturbereich -40 … 85 °C erhältlich. Über eine Amplitudenreduktion kann der Stromverbrauch weiter reduziert und an die Applikation perfekt adaptiert werden. Bedingt durch den sehr niedrigen Stromverbrauch sind die im Versorgungsspannungsbereich von 1,2 bis 3,63 V_DC lieferbaren Silizium-Oszillatoren prädestiniert für den Einsatz in batteriebetriebenen Applikationen aus dem Bereich Wearable, RTC, MUC-Clocking, Smart Metering, Smart Housing, Smartphone, Tablet, Health und Wellness Monitore, Sport-Videokameras, Wireless-Tastaturen, Industrial, Embedded Computing- und Consumer-Produkte, IoT und  viele mehr.

Abgerundet wird die Ultra-Low-Power-Serie im Frequenzbereich 1 … 26 MHz mit einen Micro-Oszillator im 1,5 × 0,8 mm² großen Gehäuse, der bei 3,072 MHz nur 60 µW und bei 6,144 MHz nur 119 µA aufnimmt. Beides sind Industries Best Values.

Standard-Oszillatoren mit geringem Stromverbrauch

Standard-Low-Power-Oszillatoren (LPO) im Frequenzbereich von 0,2 … 137 MHz sind preisgünstig, haben einen sehr geringen Stromverbrauch, genaue Standard-Frequenzstabilitäten von ± 20 ppm bei ‑40 … 85 °C sowie gute Jitter-Werte. Die mit einer Versorgungsspannung 1,5 … 3,63 V_DC lieferbaren LPOs haben bei 125 MHz einen Stromverbrauch von 5,0 mA an 1,8 V_DC, im Bereich von 1 … 110 MHz 3,5 mA an 1,8 VDC und sind mit einer stromsparenden Standby-Funktion lieferbar. Im Standby-Modus beträgt der Stromverbrauch der in unterschiedlichen Standardgehäusen (2,0 × 1,6 mm² bis 7,0 × 5,0 mm²) verfügbaren LPOs gerade mal 0,6 µA an 1,8 V_DC für den Frequenzbereich 115 … 137 MHz,  beziehungsweise 0,2 µA an 1,8 V_DC im Frequenzbereich von 1,0 … 110 MHz. Petermann-Technik empfiehlt für neue Designs die Verwendung von LPOs im 2,5 × 2,0 mm² großen Gehäuse, da dieses aufgrund hoher Stückzahlen deutlich günstiger sind als andere Baugrößen.

Die LPO-Serie mit erweitertem Versorgungsspannungsbereich von 2,25 bis 3,63 V_DC bringt weitere Einsparpotenziale mit sich, denn dieselben Bausteine lassen sich in Applikationen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen einsetzen.

Oszillator mit umschaltbarer Ausgangsfrequenz

Mithilfe eines Frequency-Selection-Pins lässt sich die Ausgangsfrequenz von Oszillatorbausteinen der Serie LPO-2 zwischen zwei Frequenzen umschalten. Der Ausgang ist zwischen der Grundfrequenz F0 und F1 als festes Teilverhältnis von F0 umschaltbar. Der Index A bis D im Bauteilschlüssel bestimmt dabei das bauteilspezifische Teilungsverhältnis von F1 zu F0  (A: F1=F0/2, B: F1=F0/3, C: F1=F0/4, D: F1=F0/8). Anwendungs­bereiche sind zum Beispiel Ethernet mit 50/25 MHz, Audio mit 24,576/12,288 MHz, Video mit 54/27 MHz, CPU-Clock mit 66/33 MHz, USB  48/24/12 MHz. Die alterungsbedingte Drift beträgt ±1 ppm nach dem ersten Jahr und liegt damit auf TCXO-Level. Die Standardstabilität beträgt ±20 ppm bei -40 … 85 °C und die Jitterwerte erreichen mit 0,8 ps den Industries-Best-Value-Bereich. Kommt ein einzelner umschaltbarer Oszillator für mehrere Applikationen zum Einsatz, spart das Kosten im Bereich Entwicklung, Einkauf, Lagerhaltung und Produktion.

Hohe Präzision in einem erweitertem Temperaturbereich

Viele Industrie-Applikationen fordern heute Oszillatoren mit sehr geringen Frequenztoleranzen in einem erweiterten Temperaturbereich von -55 bis 125 °C. Oszillatoren der Serie HTLPO (High Temperature Low Power Oscillator) erreichen bei Temperaturen von -40 bis +125 °C eine Genauigkeit von ±20 ppm, die Serie WTLPO (Widest Temperature Low Power Oscillator) arbeitet bei selber Genauigkeit sogar bis -55 °C. Auch von diesen Oszillatoren sind Muster oder Kleinserien noch am selben Tag lieferbar.

Mit nur ±25 ppm bei Temperaturen von -55 bis 125 °C bietet die Serie AECQ100 für Anwendungen im Automotive-Bereich eine Genauigkeitsklasse, die mit klassisch gefertigten Quarzoszillatoren nicht erreichbar ist. Auch die Zuverlässigkeit dieser Silizium-Oszillatoren ist 30 Mal höher als die von Quarzoszillatoren. Aus Sicht der Petermann-Technik werden insbesondere in den Bereichen Infortainment-Systems, In-Vehicle-Networking, Collision-Detection, Gear-Control und weiteren zunehmend Oszillatoren mit sehr hoher Genauigkeit in sehr kleiner Baugröße verwendet. Silizium-Oszillatoren eignen sich hierfür besonders gut und bieten dem Entwickler vielfältige Vorteile.

Oszillatoren mit differenziellem Ausgang und VCOs

Oszillator mit LVPECL-Ausgangstreiber in typischer AC-Kopplung. Petermann-Technik

Neue Maßstäbe setzt die Silizium-Oszillatortechnologie auch bei Oszillatoren mit differenziellem Ausgang. Neben den Standardausgangstreiberstufen sind diese Oszillatoren auch als Ausführung in LVPECL (Low Voltage Positive Emitter Coupled Logic und in LVDS (Low Voltage Differential Signaling) für den Frequenzbereich 1 … 800 MHz erhältlich. Sie verfügen über eine hohe Frequenzstabilität von ±10 ppm im Temperaturbereich 0 … 70 °C, beziehungsweise ±15 ppm im Temperaturbereich -40 … 85 °C. Der Jitter ist mit 0,3 ps extrem niedrig und unter anderem prädestiniert für die Verwendung in 10-GBit-Ethernet und Telekom Applikationen nach  IEEE802.3-2005. Die Alterung von ±5 ppm nach 10 Jahren liegt unterhalb des Wertes eines TCXO auf Quarzbasis. Damit sind diese Oszillatoren prädestiniert für die Verwendung in Networking & Computing, Server- und Storage-Anwendungen, SONET, SATA, SAS, PCI-Express, Routern, Fully Buffered DIMM und Glasfaser und vielen anderen. Muster und Kleinserien sind innerhalb eines Tages lieferbar.

Die VCOs (Voltage Controlled Oscillator) zeichnen sich durch ein sehr bereites Frequenzspektrum von 1 bis 625 MHz mit Ziehbereichen von bis zu ±1600 ppm aus. Frequenzstabilitäten von ±10 ppm bis ±50 ppm über den Temperaturbereich -40 … 85 °C sind wählbar, die Langzeitalterung beträgt ±5 ppm nach 10 Jahren. Die VCOs haben ebenfalls eine sehr gute Jitterperformance, höchste Variabilität und sind sehr robust und preisgünstig, was gleichermaßen für VCTCOs (Voltage Controlled Temperature Compensated Oscillator) und Stratum-3-Oszillatoren gilt.

Spread-Spectrum-Oszillatoren (HPLPSSO) vermindern Störaussendung zusätzlich durch programmierbare Flankensteilheit / Signalform im Ausgangstreiber (trise = 0,5: Rechteck, trise = 0,45: Dreieck). Petermann-Technik

Spread Spectrum Oszillatoren

Abgerundet wird das Produktspektrum der Silizium-Oszillatoren durch Spread-Spectrum-Oszillatoren im Standard-Frequenzbereich 1 … 220 MHz ( maximal 800 MHz). Die Centerspread-Bereiche variieren je nach Ausführung von ±0,125 bis ±2,0 %, beziehungsweise die Downspread-Bereiche von -0,25 bis -4 %, sodass die SSPOs (Spread Spectrum Oscillator) unter anderem in Telekom Applikationen wie Router und Modems zum Einsatz kommen, sowie in Scannern, Druckern, Kopierern, Interface-Controllern,  Graphikkarten, PCIs, CPUs, Set-Top-Boxen, LCD-Displays und alle anderen EMV-kritischen Applikationen. Der Versorgungsspannungsbereich beträgt 1,8 … 3,63 V_DC. Lieferbar sind die Spread-Spectrum-Oszillatoren in den Gehäusen von 2,5 × 2 mm² bis 7 × 5 mm², wobei ersteres aufgrund des sehr günstigen Preises für Neuentwicklungen zu empfehlen ist.

Bei einigen Versionen lässt sich die Spread-Funktion auch ausschalten. Die Frequenzstabilität beträgt ohne Spread ±25 ppm im Temperaturbereich -40 … 85 °C, gepaart mit einem sehr niedrigen Cycle-to-Cycle-Jitter von 30 ps. Der Entwickler kann wahlweise einen definierten Spread zuschalten oder den Oszillator im Normalmodus betreiben. Somit kommen verschiedenste Applikationen beim Kunden mit nur einem Oszillatorbaustein aus, was die Entwicklungs-, Bauteile-, Lagerhaltungs- und Beschaffungskosten deutlich reduziert. Die Spread-Spectrum-Oszillatoren bieten dem Kunden wie alle anderen Silizium-Oszillator-Produkte vielfältigste, fast unbegrenzte Verwendungsmöglichkeiten.

Durch einfache Implementierung Geld sparen

Kunden sollten gleich am Anfang der Entwicklung mit dem technischen Consulting von der Petermann-Technik sprechen. Komplette Oszillatoren können mehrere Chips, ICs oder MCUs gleichzeitig takten. Die kleinen Taktgebereinheiten sind sehr günstig und benötigen weniger Platz auf der Platine als diskret aufgebaute Quarzoszillatroschaltungen aus mehreren Einzelbauteilen. Gerade kleine Quarze haben einen relativ hohen ESR (Equivalent Series Resistance), die oft von den Oszillatorstufen der verwendeten ICs nicht mehr getrieben werden können, sodass diese Quarze oft nicht mehr anschwingen. Mit Verwendung der Low-Cost-High-Performance-Silizium-Oszillatoren aus dem Hause Petermann-Technik lassen sich diese Probleme einfach und kostengünstig umgehen.

Bedingt durch sehr kurze Lieferzeiten, äußerst kompetitive Preise und eine gute Produktqualität will die Petermann-Technik die Marktstellung als spezialisierter Partner für frequenzbestimmende Bauteile weiter ausbauen und ihren Kunden eine verkürzte Markteinführung  sowie eine Verringerung von Beschaffungs-, Entwicklungs- und Systemkosten bieten. Zudem unterstützt der spezialisierte Bauteilhersteller Kunden per In-House-Application-Engineering.

(jwa)