Oszillatorschaltungen weisen viele Vorteile auf. Im Gegensatz zu reinen Schwingquarzen, welche noch eine Außenbeschaltung mit weiteren Bauteilen benötigen, integrieren Quarzoszillatoren und MEMS-Oszillatoren sämtliche Komponenten in einem kompakten Gehäuse. Der entsprechende Aufwand für Design und Erprobung einer Oszillatorschaltung entfällt hiermit, Entwicklungszyklen werden bei beiden Varianten gleichermaßen vereinfacht und verkürzt.

Der technische Unterschied zwischen Quarz- und MEMS-Oszillatoren liegt im frequenzbestimmenden Bauteil: Während die langjährig bewährten Quarzoszillatoren hierfür einen Schwingquarz einsetzen, dessen Funktionsweise piezoelektrischer Natur ist, findet bei MEMS-Oszillatoren stattdessen ein Resonator auf Siliziumbasis Verwendung. Zusammen mit einer elektronischen Schaltung sitzt dieser in einem kompakten SMD-Gehäuse.

Technische Unterschiede

Aufbau MEMS-Oszillator.

Aufbau MEMS-Oszillator. Red Frequency

Beide Oszillatorvarianten haben dieselbe Funktion: sie stellen ein Taktsignal in Form einer logikkompatiblen Rechteckschwingung zur Verfügung. Damit könnte der Entwickler glücklich und zufrieden sein, wären da nicht signifikante Unterschiede in den Details. Zwei der Hauptargumente für MEMS-Oszillatoren sind die kurzfristige Programmierbarkeit für speziell benötigte Frequenzen und die hohe Schock- und Vibrationstoleranz. Wird tatsächlich eine große Menge spezieller Oszillatoren kurzfristig benötigt, so ist die Programmierbarkeit der MEMS-Oszillatoren von Vorteil.

Bei Quarzoszillatoren wird für jede Frequenz ein eigener Quarzschnitt notwendig, daher dauert die Produktion durchschnittlich acht Wochen und mehr. Der Hersteller Red Frequency bildet hier mit einer Produktionszeit von etwa vier Wochen eine Ausnahme. Oft werden MEMS-Oszillatoren mit einer Schockstabilität von 10.000 g und mehr beworben.

Aufbau Quarzoszillator.

Aufbau Quarzoszillator. Red Frequency

Allerdings stellt sich die Frage, ob man diese tatsächlich für die jeweilige Applikation benötigt. Nur selten verkraften die restlichen Bauteile auf der Platine ähnliche Belastungen. Der Vorteil ist zwar theoretisch richtig, aber in der Praxis kaum relevant. MEMS-Oszillatoren weisen gegenüber Quarzoszillatoren ein höheres Phasenrauschen und auch mehr Jitter auf. Ihre Temperaturstabilität ist deutlich geringer, die dadurch notwendigen internen Temperaturkompensationsmaßnahmen beeinträchtigen daher die Signalreinheit.

Quarzoszillatoren sind, je nach Bauart, in robusten und sehr beständigen Keramik- oder abgeschirmten Ganzmetallgehäusen verfügbar. Diese Gehäuse sind im Gegensatz zu Kunststoff-Packages diffusionsdicht und feuchteunempfindlich.

Verfügbarkeit und Lieferzeit

MEMS-Oszillatoren sind in Standardfrequenzen meist als Lagerware verfügbar. Benötigt der Kunde eine abweichende Taktung, ergeben sich – je nach Anbieter, Stückzahl und momentaner Programmierkapazität – Lieferzeiten, welche in aller Regel deutlich unter denen von Quarzoszillatoren liegen.

Quarzoszillatoren sind in den gebräuchlichsten Frequenzen und Ausführungen erhältlich. Bei Sonderanfertigungen mit Nicht-Standardfrequenzen ergeben sich oft lange Lieferzeiten von vier bis fünf Monaten. Red Frequency punktet auch hier mit hoher Flexibilität und kurzer Lieferzeit. Standardtypen sind ab Lager lieferbar.

Preisvergleich

MEMS-Oszillatoren werden als besonders günstig beworben. Tatsächlich verhält sich die aktuelle Marktsituation so, dass sich die Preise auf ähnlichem Niveau wie Quarzoszillatoren bewegen. Signifikante Einkaufsvorteile kommen erst bei sehr hohen Stückzahlen zum Tragen. Ist eine maximale Kostenoptimierung gewünscht, muss von Fall zu Fall entschieden werden.

Einsatzbereiche

MEMS-Oszillatoren bedienen problemlos die meisten Standardanwendungen, insbesondere wenn es um Timeranwendungen geht. An die Frequenzstabilität und Signalgüte von Präzisions-TXCOs und OCXOs reichen sie zum derzeitigen Entwicklungsstand allerdings noch nicht heran.

Quarzoszillatoren spielen ihre Stärken unter anderem in den Bereichen Telekommunikation, Datenübertragung, Audio und Messtechnik aus. Sie besitzen eine sehr gute Kurzzeitstabilität, weniger Phasenrauschen und Jitter. Durch langjährige Erfahrungen in Bezug auf Alterungsverhalten und Zuverlässigkeit ist bei hochwertiger Qualität nicht mit zeitlich verzögerten Problemen zu rechnen.

Grundsätzlich können in vielen Applikationen sowohl Quarz- als auch MEMS-Oszillatoren eingesetzt werden. MEMS-Oszillatoren punkten mit schneller Verfügbarkeit bei Sonderfrequenzen und wenn es um eine extreme Miniaturisierung geht. Mit fortschreitender Verfeinerung dieser Technik werden in den kommenden Jahren weitere Verwendungsmöglichkeiten für MEMS-Oszillatoren hinzukommen, insbesondere durch eine Integration mit anderen Halbleiterbausteinen in gemeinsame Gehäuse.

Aktuell bleiben den langjährig bewährten und konsequent durchentwickelten Quarzoszillatoren noch etliche Einsatzgebiete vorbehalten. Und solange keine klar verwertbaren Vorteile für MEMS-Oszillatoren erkennbar sind, dürften viele Entwickler der erprobten und zuverlässigen Quarzoszillatortechnik treu bleiben.

Weitere Informationen finden Sie unter: www.red-frequency.com