Warum der quarzbasierte Oszillator noch im Vorteil ist

Oszillatoren stellen ein Taktsignal in Form einer logikkompatiblen Rechteckschwingung zur Verfügung. In einem kompakten Gehäuse werden sämtliche, für eine Oszillatorschaltung benötigten Komponenten vereint und optimal aufeinander abgestimmt. Im Vergleich zu einer Oszillatorschaltung mit Quarz und diskreten Bauteilen entfällt die aufwendige Abstimmung zur Optimierung der Schaltung. Daher werden Entwicklungszyklen vereinfacht und verkürzt. Nun gibt es, neben den seit Jahren bewährten quarzbasierten Oszillatoren immer mehr MEMS-basierte Alternativen, die um die Gunst der Entwickler werben. Doch welche Vorteile bringt die in diversen Artikeln gehypte Technologie tatsächlich?

Technische Grundlagen

Das Herzstück eines Quarzoszillators bildet der Schwingquarz. Das Grundprinzip ist hier der piezoelektrische Effekt: Wird ein elektrischer Impuls über die aufgedampften Elektroden an das Quarzplättchen (Siliziumdioxid, SiO₂) gelegt, verformt sich die Kristallgitterstruktur. Dies wiederum hat eine Ladungsverschiebung zur Folge, die ihrerseits ein elektrisches Signal (Spannung) bewirkt. Verstärkt durch einen Inverter (Rückkopplung) fängt der Quarz unter bestimmten Bedingungen an, auf seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Die Frequenz wird dabei maßgeblich durch Größe, Dicke und Form des Quarzkristallblättchens, auch Blank genannt, sowie den Materialkonstanten bestimmt.

Bild 1: Aufbau eines traditionellen Quarzoszillators. WDI

Bei einem MEMS-Oszillator wird anstelle des Schwingquarzes ein MEMS-Resonator aus Polysilizium eingesetzt, das im Gegensatz zu Quarz nicht piezoelektrisch ist. Der Resonator basiert auf einer mechanischen Struktur, die im speziellen Halbleiterprozess auf einem Silizium-Wafer hergestellt wird. Die Seitenwände der MEMS-Resonatorstruktur bilden eine Kapazität gegenüber den äußeren feststehenden Elektroden. Durch ein elektrisches Feld wird die nur 250 µm große Resonatorstruktur zum Schwingen angeregt. MEMS-Oszillatoren arbeiten immer mit einer indirekten Frequenzerzeugung. Dazu verfügt der Oszillator-ASIC über eine programmierbare PLL, die Ausgangsfrequenzen beispielsweise im Bereich von 1 MHz bis 150 MHz bei einer Schrittweite von typischerweise 100 Hz generiert.

Bild 2: Aufbau eines MEMS-basierten Oszillators. WDI

Vor- und Nachteile

Eine der herausragenden Stärken von Quarzoszillatoren ist die sehr gute Kurzzeitstabilität (10^-9 bis 10^-11) sowie ein geringes Phasenrauschen und geringer Jitter. Langjährige Erfahrungen zeigen, dass bei qualitativ hochwertigen Quarzoszillatoren in Bezug auf Langzeitstabilität, Alterungsverhalten und Zuverlässigkeit nicht mit nennenswerten Abweichungen zu rechnen ist. Sie eignen sich daher unter anderem hervorragend für viele Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Datenübertragung, Audio und Messtechnik.

Doch ist ein Quarzoszillator wirklich immer die perfekte Taktquelle? Tatsächlich hat er konstruktiv einige Nachteile, welche vor allem durch den zur Schwingungserzeugung verwendeten Schwingquarz verursacht werden. Dazu gehört insbesondere eine höhere Empfindlichkeit bei mechanischen Belastungen, wie etwa durch Schock und Vibration aber auch thermischen Einflüssen. Zu hohe Belastungen bewirken eine Veränderung des Quarzgitters und können dadurch zu reversiblen, aber auch oft irreversiblen Frequenzabweichungen führen. Hinzu kommen für einige Quarzprodukte Einschränkungen hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit bei der Montage, aber auch der Reinigung, zum Beispiel im Ultraschallbad.

Ein weiterer Nachteil sind die relativ hohen Produktionskosten, welche mit der Produktion von quarzbasierten Oszillatoren verbunden sind. Da ein Schwingquarz extrem sensibel auf Feuchtigkeit und Verschmutzungen reagiert, gelten hohe Anforderungen an die Reinheit der Umgebung während des Fertigungsprozesses. Ebenso müssen für Quarze und Quarz-Oszillatoren besonders dichte, robuste und damit meist teurere Gehäuse verwendet werden – in der Regel heute sogenannte Keramik-Packages, welche bereits einen großen Anteil an den Produktkosten ausmachen.

Des Weiteren stößt der quarzbasierte Oszillator zunehmend auf physikalische und konstruktive Grenzen für eine weitere Miniaturisierung der Bauformen. Ein Schwingquarz hat eine mit fallender Frequenz wachsende Dicke. Unterhalb von 10 MHz wird der Schwingquarz oft zum bestimmenden Faktor für die Größe des Quarz- beispielsweise Oszillator-Gehäuses. Allerdings konnte dieses in der Vergangenheit, zumindest bei Oszillatoren, durch eine indirekte Frequenzerzeugung umgangen werden. Dabei hat der Quarz eine mittlere Frequenz (zum Beispiel 25 MHz), die zu kleinen Abmessungen und günstigen elektrischen Eigenschaften führt. Die gewünschte Ausgangsfrequenz wird dann durch Teilung zum Beispiel Vervielfachung dieser Frequenz generiert. Erforderlich ist hierzu lediglich ein Oszillator-ASIC, der über einen Teiler wie einen Multiplizierer oder eine programmierbare PLL verfügt.

Auch MEMS-Oszillatoren sind problemlos für die meisten Standardanwendungen geeignet. Jedoch ist zu beachten, dass sie ein vergleichsweise hohes Phasenrauschen und einen höheren Jitter aufweisen können. Wird die Frequenz eines Oszillators mithilfe einer PLL erzeugt, hat das Ausgangssignal meist höhere Werte für Jitter beispielsweise Phasenrauschen als bei direkter, ausschließlich quarzbasierter Frequenzerzeugung. Das gilt natürlich auch für die MEMS-Oszillatoren, deren Oszillator-ASIC stets PLL-basiert arbeitet. Mittlerweile kommen aber hochentwickelte ASIC/PLL-Bausteine zum Einsatz, deren Jitter-Spezifikation einen Vergleich mit anderen PLL-Oszillatoren und selbst mit quarzbasierten Oszillatoren nicht mehr scheuen muss. An die Frequenzstabilität und Signalgüte von Präzisions-TXCOs und OCXOs reichen sie allerdings noch nicht heran.

Andererseits können MEMS-Oszillatoren mit einer geringeren Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und einer sehr hohen Vibrationsfestigkeit von bis zu 10.000 g und mehr überzeugen. Diese Vibrationsbeständigkeit von MEMS-Oszillatoren ist dadurch bedingt, dass die Masse eines MEMS-Resonators ungefähr 1000- bis 3000-mal niedriger ist als die Masse eines Quarzresonators. Dies bedeutet, dass eine gegebene Beschleunigung durch Schock oder Vibration, bei einer MEMS-Struktur zu einer viel geringeren Kraft als bei einem quarzbasierten Resonator führt und daher eine viel niedrigere Frequenzverschiebung hervorgerufen wird. Die hohe mechanische Belastbarkeit ist der wesentliche Vorteil der MEMS-Oszillatoren. Durch diese Eigenschaft sind MEMS-Oszillatoren konstruktionsbedingt besser für Anwendungen in rauer Umgebung mit hohen Schock- und Vibrationsbelastungen geeignet als viele Quarzoszillatoren.

Nicht außer Acht gelassen werden sollte bei der Oszillatorauswahl aber auch, dass für die MEMS-Oszillatoren, im Gegensatz zu den bewährten Quarzoszillatoren, noch jegliche Langzeiterfahrungen fehlen. Im letzten Jahr gab es beispielsweise Berichte über einen ungewöhnlichen Ausfall von Apple iOS-Geräten im Morris Hospital in Illinois. Beim Austausch eines Kernspintomographen wurde eine größere Menge flüssiges Helium freigesetzt. Wie herauskam hat das sich verflüchtigende Edelgas offenbar die MEMS-Oszillatoren, die von Apple offenbar aufgrund ihrer geringen Baugröße eingesetzt werden, außer Gefecht gesetzt. Die meisten betroffenen Geräte in der MRT-Praxis in Illinois funktionierten gar nicht mehr, auch ein Aufladen ging nicht mehr. Andere hatten Probleme, LTE- und UMTS-Verbindungen aufzunehmen, während WLAN funktionierte. Tatsächlich ist dieses Problem bei Apple bekannt und im Benutzerhandbuch des iPhone findet man einen entsprechenden Warnhinweis, der rät, dass man verdunstende Flüssiggase wie Helium in der Nähe der Smartphones vermeiden soll. Auf Android Handys, in denen zumeist Quarzoszillatoren verwendet werden, hat Helium hingegen keinen Einfluss.

Bild 3: Hochfrequenz-Quarzoszillatoren von Euroquartz. WDI

Interessant ist auch die Forschungsarbeit zweier amerikanischer Universitäten. Hier wurde nachgewiesen, dass sich MEMS-basierte Beschleunigungssensoren, welche unter anderem in Smartphones aber auch Industrieanalagen und implantierbare Medizingeräte verwendet werden, durch Schallwellen gezielt manipulieren lassen. Um der neuen und auf den ersten Blick vielversprechenden und vorteilhaften MEMS-Technologie blind vertrauen zu können, sind also noch einige Langzeiterfahrungen zu sammeln und abzuwarten.

Verfügbarkeit, Lieferzeiten und Preis

Bei der Lieferzeit geht der Punkt aber, zumindest in der Theorie, an die MEMS-basierten Oszillatoren. Aufgrund der einfachen Programmierbarkeit der PLL, können auch Nicht-Standard-Frequenzen innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden. Muster können innerhalb weniger Tage programmiert und geliefert werden. Lieferzeiten für Serienstückzahlen von MEMS-Oszillatoren liegen für jede Frequenz bei rund sechs bis acht Wochen. In der Praxis zeigt sich aber immer wieder, dass bei kleineren und mittleren Stückzahlen durchaus ähnliche Lieferzeiten erwartet werden müssen wie bei den herkömmlichen Quarzoszillatoren. Dies liegt unter anderem daran, dass weltweit nur zwei „echte“ Hersteller von MEMS-Oszillatoren existieren, deren Produktionskapazitäten begrenzt sind. Durch die Vermarktung über Distributoren werden die Produkte jedoch zunehmend besser verfügbar. Aus kommerzieller Perspektive sollte hier aber nicht unerwähnt bleiben, dass es sich bei den meisten der angebotenen MEMS-Oszillatoren um sogenannte Sole-Source-Produkte handelt und es keine echten Ersatztypen gleicher Technologie gibt. Man ist also als Anwender auf den einen Hersteller im Hintergrund angewiesen.

Quarzoszillatoren sind in den gebräuchlichsten Frequenzen und Ausführungen, wenn nicht ab Lager verfügbar, innerhalb von acht bis zwölf Wochen lieferbereit. Für jede Frequenz wird, sofern kein programmierbarer Phasenregelkreis (PLL) verwendet wird, ein anderer Kristallschnitt beziehungsweise -schliff benötigt, was die Vorlaufzeiten für Nicht-Standardfrequenzen bedeutend verlängern kann. Bei einer Vielzahl von „echten“ Herstellern fällt es bei quarzbasierten Oszillatoren allerdings deutlich einfacher eine entsprechende Second- und Third-Source zu finden.

Preislich sind zunächst einmal keine erheblichen Unterschiede feststellbar. Obwohl MEMS-Oszillatoren durch ihre Fertigung im Silizium-Halbleiterverfahren als besonders kostengünstig beworben werden sagt die aktuelle Marksituation etwas anderes. Tatsächlich bewegen sich beide Technologien auf einem ähnlichen Preisniveau. Signifikante Einkaufsvorteile ergeben sich, produktionsbedingt, meist erst bei sehr hohen Stückzahlen. Möchte man eine maximale Kostenoptimierung erreichen, muss von Fall zu Fall entschieden werden.

Bild 4: Taktgeneratoren auf MEMS-Basis von Microchip. WDI

Fazit

Sowohl Quarz- als auch MEMS-Oszillatoren können grundsätzlich für eine Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden. MEMS-Oszillatoren können ihre Vorteile besonders unter rauen Bedingungen, in denen sie ihre herausragende Schock- und Vibrationsfestigkeit unter Beweis stellen können, ausspielen. Aber auch wenn der MEMS-Oszillator viel mehr Schock und Vibration vertragen kann als der quarzbasierte, sollte hier differenziert werden, ob dieser Vorteil für die jeweilige Anwendung tatsächlich zum Tragen kommt. Mit dem Hintergrund, dass vermutlich kein anderes Bauteil der Schaltung diese enormen Kräfte überlebt, wird es uninteressant, dass der Oszillator dieses zu leisten vermag. Hinzu kommt die, wie die Erfahrung allerdings zeigt meist nur theoretisch, schnellere Verfügbarkeit bei Sonderfrequenzen und die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Argumente wie dieses sind in den meisten Fällen ein schönes Marketing-Argument für den MEMS, aber wahrscheinlich auch nicht wirklich mehr.

Für den Anwender eröffnen sich aber mit den neuen MEMS-Technologien interessante Produktalternativen, welche in manchen Anwendungen ihre Existenzberechtigung haben. Mit fortschreitender Verfeinerung und Weiterentwicklung dieser Technologie werden in den kommenden Jahren weitere Verwendungsmöglichkeiten für MEMS-Oszillatoren hinzukommen. Wirklich interessant wird es, wenn man nicht die Einzelkomponente MEMS-Oszillator betrachtet, sondern diese komplett in einen Halbleiterbaustein integriert. Dies wäre dann ein echter Mehrwert für den Kunden, so dass ein derartig integriertes Bauteil, gerade in Massenanwendungen, den klassischen diskreten Taktgeber ersetzen könnte.

(jj)