Übersicht über Quarzoszillatoren

Bessere Frequenzregelung durch die Integration von CMOS- und MEMS-Technologien

 

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurde der Markt für Frequenzregelung stets von Quarzkristallresonatoren und quarzbasierten Oszillatoren beherrscht. Und selbst heute noch sind nahezu alle elektronischen Geräte in irgendeiner Form von einem maschinell bearbeiteten Quarzkristall abhängig, um mindestens eine der vielen verschiedenen Betriebsfrequenzen zu erzeugen. Quarzoszillatoren (XOs) kommen im Großteil der elektronischen Geräte auf dem heutigen Markt zum Einsatz – von Gitarrenverstärkern und Armbanduhren bis hin zu Smartphones und Gabelstaplern.

 

Dank der enormen Kostenersparnisse durch die Massenproduktion mehrerer Milliarden Quarzkomponenten für den Elektronikmarkt pro Jahr erreichte die Fertigung von Quarzkristallen und quarzbasierten Oszillatoren eine völlig neue Ebene: Nur so konnten kleinere, dünnere und hochfrequentere Lösungen entstehen. Bis vor Kurzem gab es aufgrund der gut vorhersehbaren Eigenschaften und Stabilität von quarzbasierten piezoelektrischen Resonatoren nur sehr wenige ernst zu nehmende Alternativen, sodass sich der Bau eines Quarzoszialltors (OX) mit bewährter Performance als müheloses Unterfangen erwiesen hat.

 

In den letzten Jahren konnten jedoch sogenannte MEMS-basierende Oszillatoren (mikro-elektromechanische Systeme), die mit ihren zwei Komponenten (Resonator und Verstärker) die XO-Architektur imitieren, immer mehr Einzug in den Markt für Frequenzregelung halten. Dabei bieten diese Geräte herausragende Zuverlässigkeit und sorgen gleichzeitig für Kosteneinsparungen in allen erhältlichen Größen – insbesondere bei kleinen Varianten, wo XO-Geräte eine hohe Kostenstruktur aufweisen. Mit der Einführung von Single-Chip MEMS-Lösungen, bei denen der MEMS-Resonator direkt auf dem CMOS-Verstärker angebracht wird, sind weitere Verbesserungen in Sachen Zuverlässigkeit, Programmierbarkeit, Temperaturstabilität und Kostenstruktur von MEMS-Oszillatoren möglich.

 

Quarzoszillatoren

Quarzoszillatoren sind auf einen sehr breit gefächerten Frequenzbereich ausgelegt - von wenigen kHz bis zu mehreren Hundert MHz. Quarzoszillatoren vereinen einen Quarzresonator mit einem Verstärkerschaltkreis in einem hermetisch abgeschlossenen Keramikgehäuse mit Metalldeckel. Keramikgehäuse und Metalldeckel bieten dem sehr empfindlichen Quarzprodukt ausgesprochen guten Schutz und verhindern, dass die Komponenten beschädigt werden. Dabei erhöht der Verstärkerschaltkreis die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzoszillators, indem er durch elektrische Rückkopplung bei einer bestimmten Frequenz eine Schwingung, bzw. Resonanz erzeugt. Diese Frequenz wird beeinflusst von Größe, Schnitt und Beschichtung des Oszillators. Um den – von der Elektronikindustrie benötigten – breit gefächerten Frequenzbereich unterstützen zu können, müssen Hersteller von Frequenzregelgeräten Hunderte oder sogar Tausende verschiedene und individuelle Quarzresonatoren entwickeln, führen und produzieren.

 

Die Herstellung quarzbasierter Lösungen und individualisierter Quarzresonatoren bringt diverse Herausforderungen mit sich. Mobile Geräte stellen einen wesentlichen Prozentsatz des gesamten Marktes für Quarzprodukte dar. Immer dünnere und kleinere mobile Geräte erfordern von allen Zulieferern stets kleinere Komponenten. Für quarzbasierte Oszillatoren stellt diese Entwicklung insofern ein Problem dar, da die Verkleinerung eines Quarzresonators bei allen gewünschten Frequenzen komplexere Herstellverfahren erfordert. Zudem stellen kleinere und empfindlichere Geräte große Herausforderungen hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit dar. Ein weiteres Problem, das quarzbasierte Lösungen in jeder Branche mit sich bringen, ist die Empfindlichkeit gegenüber diversen Umwelteinflüssen, wie Stößen, Vibrationen, Temperaturen, sowie fertigungsbedingte Schwankungen, die zu Anlaufproblemen und Feldstörungen führen können.

 

MEMS-Resonatoren

In den letzten Jahren bewährten sich MEMS-basierte Oszillatoren aus verschiedenen Gründen als ernst zu nehmende Alternative zu quarzbasierten Lösungen. Zunächst werden MEMS-Oszillatoren in siliziumbasierten Prozessen gefertigt, die extrem hohen Qualitätsanforderungen unterliegen. Somit können diese Oszillatoren ausgesprochen zuverlässige Performance über mehrere Milliarden Einheiten bieten – solange sie vom Hersteller ordnungsgemäß entwickelt, beschrieben und mit einer Garantie versehen worden sind.

 

Zweitens: Als direkte Folge der siliziumbasierten Prozesse unterliegen diese Oszillatoren dem Mooreschen Gesetz; dieses beschreibt eine stets zunehmende Prozessorleistung bei stets sinkenden Kosten. Mit anderen Worten: Kleinere, technologisch ausgereiftere Geräte auf Siliziumbasis kosten im Laufe der Zeit zunehmend weniger. Quarzbasierte Lösungen folgen unglücklicherweise genau dem Gegenteil dieses Gesetzes, sodass die Kosten immer kleinerer Geräte aufgrund der oben beschriebenen Schwierigkeiten im Herstellverfahren stets zunehmen. Zusätzlich gilt, dass die Gewinnspanne von quarzbasierten Produkten bei immer kleineren und empfindlicheren Geräten aufgrund eben dieser Schwierigkeiten und der entsprechend höheren Kosten sinkt.

 

Somit liegt der dritte Vorteil erneut bei den Prozessen auf Siliziumbasis. Als siliziumbasierte Lösung können  MEMS-Oszillatoren so entwickelt werden, dass sie Umwelteinflüssen gegenüber zunehmend robuster auftreten. Das soll jedoch nicht heißen, dass alle MEMS-basierten Lösungen in dieser Hinsicht gleich gut sind. Das Produktdesign bestimmt sehr stark, wie gut ein MEMS-Oszillator im Vergleich zu einem anderen Oszillator abschneidet. Bleibt jedoch festzuhalten, dass siliziumbasierte Lösungen so entwickelt werden können, dass sie stoß- und vibrationsfester sind als ein Produkt auf Quarzbasis – insbesondere bei kleinen Geräten.

 

 

MEMS-Oszillatoren: Die erste Generation

MEMS-Oszillatoren der ersten Generation ähneln der Architektur eines Quarzoszillators insofern, als dass sie zwei physikalisch unterschiedliche Komponenten vereinen: den Resonator und den Verstärker-IC bzw. die Basismatrize zur Kompensation sämtlichen Drifts in der Resonatorfrequenz. Die Verwendung von MEMS ging mit einer herausragenden Verbesserung bei der Herstellung von Oszillatoren einher, da von nun an sowohl die komplizierten Techniken zur Verarbeitung von Material bei quarzbasierten Oszillatoren wegfallen als auch die kostspieligen Keramikgehäuse und Metalldeckel von Quarzoszillatoren durch ein kostengünstigeres Kunststoffgehäuse ersetzt werden.

 

Nichtsdestotrotz stößt der erste Ansatz mit der Zwei-Komponenten-Architektur, die auch bei quarzbasierten Oszillatoren zum Einsatz kommt, noch immer an seine Grenzen. Diese Grenzen beginnen bei einem komplexen Gehäuse, das mit mindestens doppelt so vielen Leitungen verbunden ist wie eine vergleichbare monolithische Einheit. Somit wird dieses Gehäuse kostspieliger und weist zudem mehr mögliche Fehlerquellen auf als dies bei monolithischen Produkten der Fall ist.

 

Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass Zwei-Komponenten-Lösungen nicht in der Lage sind, effektiv Temperaturänderungen zu kompensieren. Diese Problemstellung tritt ebenso bei quarzbasierten Geräten auf. Dies rührt daher, dass die beiden Komponenten (Resonator und Verstärker / Basis) ein System bilden, das sich stets im Einklang bewegen muss. Dabei kompensiert die Basis sämtliche Frequenzänderungen des Resonators mit Temperatur. Dadurch, dass die beiden Komponenten nicht eine integrierte Einheit bilden, sondern vielmehr separat agieren und über zahlreiche Leitungen miteinander verbunden sind, reagieren sie nicht gleichmäßig auf Temperaturänderungen. Diese fehlende direkte Abstimmung führt dazu, dass diese Systeme Temperaturänderungen nicht kompensieren. So reagieren Quarzoszillatoren wesentlich besser auf Temperaturänderungen als Multi-Chip MEMS-Geräte.

 

MEMS-Oszillatoren: Die zweite Generation

Seit Kurzem ermöglichen neue Fortschritte im Bereich Prozesstechnologie die direkte Anbringung von MEMS-Resonatoren auf einer CMOS-Basismatrize. Dies ist aus mehreren Gründen ein gewaltiger Schritt nach vorn. Zuallererst sind die Kosten für die Herstellung einer einzelnen Matrize in einer Gießerei geringer als für die Erarbeitung von Lösungen mit zwei Matrizen aus Komponenten von verschiedenen Gießereien bzw. für die Herstellung quarzbasierter Lösungen. Zudem ist der Resonator bei Lösungen mit einer einzelnen Matrize in die Basiskompensation und die Verstärkermatrize integriert und stellt somit ein einzelnes, einheitliches System dar. Eine solche Lösung bietet hervorragende Stabilität gegenüber Stößen, Vibrationen, Verschleiß und Temperaturschwankungen – Punkte, an denen Quarzprodukte und MEMS der ersten Generation Schwachstellen aufweisen. Zu guter Letzt bieten Lösungen mit einer einzelnen Matrize - wie das Mooresche Gesetz besagt - mehr Möglichkeiten und Flexibilität als ihre Vorgänger und können zudem zu einem niedrigeren Preis bezogen werden.

 

Umgesetzt wurde die Integration von MEMS und CMOS in einer einzelnen Matrize in Form der CMEMS-Technologie – dem Zusammenschluss zweier Akronyme, CMOS und MEMS. Silicon Laboratories entwickelte diese einzigartige Fertigungstechnologie und Vorgehensweise in Zusammenarbeit mit marktführenden Unternehmen aus dem Bereich Guss und Fertigung. CMEMS ist der erste Prozess seiner Art, der die direkte Nachbearbeitung hochwertiger MEMS-Schichten auf fortschrittlicher CMOS-Technologie als einzelne monolithische Matrize erlaubt. Die ersten CMEMS-Produkte des Unternehmens sind MEMS-basierte Oszillatoren, ausgelegt auf 10 Jahre garantiert zuverlässigen Betrieb, Stoß- und Vibrationsfestigkeit, umfassende Programmierbarkeit für verschiedenste Anwendungen und unerreichte Performance bei Temperaturschwankungen.

 

Entdeckung der Vorteile monolithischer Matrizen

First-Generation MEMS-Oszillatoren mit zwei Matrizen erforderten Drahtanschlüsse zwischen den Matrizen des MEMS-Resonators und des Oszillators, was Kosten, Komplexität und Fehlerquellen bei Multi-Chip Modulen (MCM)-Design anhob. Darüber hinaus werden die MEMS-Resonatoren von First-Generation-Lösungen mit zwei Matrizen in speziellen MEMS-Gießereien in Europa gefertigt, wo die Kosten allgemein höher sind als in Asien. Diese MEMS-Resonatorwafers werden zunächst vereinzelt und später zusammen mit standard CMOS-Matrizen aus kostengünstigeren Gießereien in Fernost verpackt.

 

CMEMS-Oszillatoren werden in herkömmlichen CMOS in der zweitgrößten Gießerei der Welt hergestellt, der Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). Dabei wird der CMEMS-Resonator mit Hilfe von Silizium-Germanium (SiGe) – einem weit verbreiteten und daher kostengünstigen Material – direkt auf dem CMOS aufgebracht. Diese Innovation ermöglicht es, dass CMEMS-Lösungen preiswertere Wafers aus einer einzelnen Quelle nutzen können. Somit werden Kosten gesenkt und die komplexe Verpackung mehrer Matrizen und Drahtanschlüssen vermieden.

 

Temperaturkompensation

Single-Chip CMEMS-Oszillatoren bieten gegenüber Geräten mit zwei Matrizen weitere Vorteile hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit. Aus den oben beschriebenen Gründen kann die Ausgangsfrequenz von Geräten mit zwei Matrizen von Temperaturänderungen beeinträchtigt werden.

 

Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wurden Quarzoszillatoren, MEMS-Oszillatoren der ersten Generation und CMEMS-Oszillatoren von Silicon Labs zur Überprüfung der Stabilität ihrer Ausgangsfrequenz zügigen Temperaturänderungen ausgesetzt. Das bestmögliche Ergebnis sieht keinerlei Änderung an der y-Achse vor, sodass die Ausgangsfrequenz bei Temperaturänderungen in keinster Weise variiert.

 

Während die Quarzoszillatoren (XO) Frequenzänderungen von bis zu dem Zweifachen ihrer 20 ppm Klassifizierung aufweisen, zeigen MEMS-Lösungen der ersten Generation Abweichungen von bis zu dem Achtfachen ihrer 20 ppm Klassifizierung. So stehen beide Lösungen in deutlichem Gegensatz zu den CMEMS, die um weniger als 1 ppm von ihrer Zielfrequenz abgewichen sind.

 

Si501 CMEMS Oszillator: Übersicht

Oszillatoren der Produktreihe Si50x unterstützen jede erdenkliche Frequenz mit einer bis zu sechsstelligen Auflösung zwischen 32 kHz und 100 MHz. Diese Produktreihe umfasst vier Basisgeräte mit vielfältigen Einstellungsmöglichkeiten hinsichtlich Netzspannung, Anstiegs- und -Abfallzeit des Ausgangssignals, Frequenzstabilität oder Temperaturbeständigkeit. Diese Geräte sind funktional kompatibel mit vielen XOs und MEMS-Lösungen der ersten Generation und sind in Pin-kompatiblen 4-Pin-Gehäusen erhältlich (2 x 2,5 mm, 2,5 x 3,2 mm und 3,2 x 5 mm).

 

Si50x Oszillatoren unterstützen zu jedem beliebigen Zeitpunkt je eine einzelne Taktausgangsfrequenz. Die Oszillatoren werden je nach der Anzahl an Taktfrequenzen voneinander unterschieden, die auf ihrem On-Chip Speicher abgelegt sind. Der Si501 Oszillator unterstützt eine einzelne abgespeicherte Frequenz, die über die Output-Enable-Funktion (OE) aktiviert wird. Der Si502 hat zwei Frequenzen abgespeichert, die mit der Frequency-Select (FS)-Funktion ausgewählt und über die OE-Funktion aktiviert/deaktiviert werden können. Der Si503 hat vier Frequenzen abgespeichert, die mit der FS-Funktion auszuwählen sind. Die OE-Funktion unterstützt der Si503 nicht. Der Si504 ist ein programmierbarer Oszillator, gesteuert über eine Single-Pin-Schnittstelle (C1D). Produktdatenblätter und weitere Informationen über die Si50x Oszillatoren finden Sie unter www.silabs.com/CMEMS.

 

Für zusätzliche Flexibilität können die Si50x CMEMS-Geräte mit einer kostengünstigen Programmierplatine bestellt und mühelos auf sämtliche unterstützte Settings eingestellt werden. Dies ermöglicht ausgesprochen schnelles Prototyping und Testen von CMEMS-Geräten in dem Entwicklereigenen System.

 

Fazit

Die Si50x CMEMS-Oszillatorlösungen von Silicon Labs stellen eine herausragende Alternative zu XOs und MEMS-Oszillatoren der ersten Generation dar. CMEMS-Oszillatoren bieten eine dauerhaft hohe Stabilität und eine garantierte Funktionstüchtigkeit über einen Zeitraum von 10 Jahren. Zudem haben sie sämtliche Vorteile einer vollständig siliziumbasierten Lösung, wie ausgezeichnete Stoß- und Vibrationsfestigkeit. Wie auch siliziumbasierte Produkte, werden CMEMS-Oszillatoren zu äußerst attraktiven Preisen angeboten – ein weiterer Punkt ihrer ohnehin schon beeindruckenden Eigenschaften.