IDT CMOS Oszillatoren ersetzen Quarze
IDT's Quarzfreie Oszillatoren auf CMOS-Basis bieten in vielen Fällen eine Alternative zu Quarze und Quarzoszillatoren als Taktgeber und für Timing-Einheiten.
Anders als in der klassischen Analogelektronik, bei der Spannungswerte als Träger von Information asynchron die Signalkette durchlaufen, benötigen digitale Schaltungenpräzise Taktquellen, möglichst phasenstarr gekoppelt über die gesamte Baugruppe. Zur Erzeugung der Takte haben Quarze und darauf basierende Oszillatoren einen beispiellosen Siegeszug angetreten, sind sie doch äußerst genau und nur wenig temperaturabhängig. So gibt es heute kaum ein elektronisches Gerät, in dem nicht mindestens ein Quarz werkelt, angefangen von Digitaluhren über Mobiltelefone und Notebooks bis hin zu Großrechenanlagen. Ein großer Markt also und daher immer wieder Gegenstand von Begehrlichkeiten. Das junge Halbleiter unternehmen Mobius Micro systems, jüngst übernommen von IDT, ist nun angetreten, die„Quarz-Bastion“ mit einem monolithischen CMOS-Ansatz zu schleifen.
Die Achillesferse der Quarze
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Der verwundbare Punkt bei den Quarzen, die Achillesferse sozusagen, liegt zum einen in der mechanischen Empfindlichkeit dieser Bauelemente und zum anderen in den Herstellungskosten, die trotz automatisierter Produktion immer noch im Bereich einiger 10 US$-Cents je Einheit liegen. Da ein Quarz seine Referenzeigenschaften, die Fähigkeit also, auf exakt einer Frequenz zu schwingen, aus seinen geometrischen und kristallinen Eigenschaften bezieht, liegt hier auch die Schwachstelle: Quarze reagieren empfindlich auf mechanischen Schock, Vibration und können sogar Mikrorisse entwickeln, die zu erratischem Verhalten führen. Zudem sperren sie sich aufgrund ihrer elektromechanischen Natur der Integration in Halbleiter, so dass es in elektronischen Schaltungen neben den eigentlichen „Nutz-ICs“ immer noch eines Quarzes + peripherer Elemente wie Oszillatoren, PLLs etc. bedarf.
Die Überlegung, Taktgeneratoren vollständig monolithisch zu integrieren liegt also nahe, ist aber bislang aus unterschiedlichen Gründen gescheitert. Einer davon heißt Stabilität, denn bislang war es nicht möglich, die hohe Genauigkeit und Temperaturstabilität der Quarze durch reine CMOS Lösungen zu ersetzen. Gleichzeitig aber steigen kontinuierlich die Anforderungen an die Präzision, auch bei Consumer-Produkten. Ein paar Beispiele bekannter Kommunikationsstandards aus der PC-Welt mögen das verdeutlichen:
- USB 1.0, 2.0: 500 ppm
- Firewire: 100 ppm
- Ethernet: 100 ppm
- PCI Express: 300 ppmBeispiel aus der Telekommunikation
- SONET: 20 ppm
Vor allem die modernen Kommunikationsschnittstellen wie Firewire oder Ethernet sind recht anspruchsvoll, was die Stabilität der Taktversorgung betrifft. Andere Lösungen als Quarze bzw. Quarzoszillatoren sind entweder nicht genau genug oder einfach zu teuer.
Der monolithische Ansatz
Nun ist es kein Hexenwerk, einen Oszillator in CMOS Technologie zu implementieren, da sich sowohl Kapazitäten verwendet, die in einem automatisierten Prozess die notwendigen Parameter ermittelt und in einem NVM (Non Volatile Memory) dauerhaft ablegt. Die Kondensatorbank kann aber auch recht elegant für die Generierung einer Spread-Spectrum-Modulation verwendet werden, ohne dafür eine PLL zu benötigen. Als Modulationsoszillator genügt die stark geteilte Ausgangsfrequenz und eine Mimik, die in geeigneter Weise die Kondensatorbank bedient. Damit lässt sich dann eine Frequenzmodulation mit einer Tiefe von einigen Prozent und nahe zu jeder gewünschten Modulationsform erzielen.
![Prinzipschaltbild des CHOS - Cf[12:0] symbolisiert das 13b Kondensator-Array zum Frequenzabgleich und für SSCG, Cv[5:0] symbolisiert die Varaktor-Temperaturkompensation](uploads/pics/Schaltbild.jpg) |
Kompensation von Temperatur, Spannung, Alterung
Der Temperaturgang des CHOs, negativ aber weit gehend linear, wird durch eine programmierbare MOS Varicap-Bank kompensiert. Die Varicapdioden werden im aktivierten Zustand mit einer Spannungsquelle mit positiven Temperaturgang verbunden, ihre Kapazität sinkt also mit steigender Temperatur und wirkt damit dem negativen TC des CHOs entgegen.
Neben der Temperatur hat vor allem die Versorgungsspannung großen Einfluss auf die Stabilität der Frequenzerzeugung, daher sind einschlägige schaltungstechnische Maßnahmen implementiert: Der CHO, gebuffert über einen differential-2-single-ended Converter (D2S) sowie die Teilermatrix werden über eine interne 2.5 Volt-Schiene versorgt, während sich die konfigurierbaren Ausgangstreiber aus der externen 3.3 Volt-Spannung bedienen. Die internen 2.5 Volt generiert ein äußerst stabiler LDO mit Bandgap-Referenz.
Um schließlich noch Effekten von Alterung vorzubeugen, die vor allem durch Schäden in Oxydschichten entstehen und durch zu hohe Signal-Amplituden begünstigt werden, beinhaltet die Mobius- Schaltung Regeleinrichtungen, die eine eng tolerierte Amplitude gewährleisten.
Ausgangstakt durch einfache Teilung
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Zur Erzielung gängiger Ausgangsfrequenzen wie 10, 12 oder 24 MHz etc. genügt eine Teilerkette mit ganzzahligen Teilerverhältnissen. So können z.B. 24MHz mit einem Faktor 40 generiert werden oder 10 MHz mit Faktor 96. Für andere gebräuchliche Frequenzen, wie z.B. 14.318MHz genügt ebenfalls ein Integer-Teiler, indiesem Fall mit Faktor 67 und eine leichte Verstimmung der CHO-Frequenz auf 959.306 MHz über die Varicap-Bank. Diese Methode benötigt keine fraktionaleTeilung wie sie bei PLLs möglich ist, hat aber dadurch den Vorteil, die PLL typischen Schwächen von zusätzlichen Jitter (durch Phasenvergleicher und VCO) zu vermeiden.
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Jitter und Stabilität
Tatsächlich sind die Messergebnisse diesbezüglich recht eindrucksvoll – der CHO zeigt Jitterwerte, die mit denen reiner Quarzoszillatoren vergleichbar sind und deutlich besser als solche mit integrierter PLL. Wobei hier allerdings zu erwähnen ist, dass es inzwischen PLL-Technologien wie FemtoClock NG (IDT) gibt, die keine nennenswerte Verschlechterung der Quarz-Eigenschaften mehr hervorrufen. Für die Produktchancen der Mobius-Oszillatoren ist es aber lediglich relevant, in allen Kategorien nicht schlechter als Quarze zu sein, der wesentliche Vorteil schließlich ergibt sich aus der Tatsache, dass diese Oszillatoren mit den Werkzeugen der IC-Hersteller fabriziert werden können. Die erste Generation der Mobius-Oszillatoren erreicht eine Frequenzstabilität von +/- 400 ppm, ausreichend für viele Anwendungen wie z.B. USB, allerdings noch nicht geeignet für Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet oder PCI-Express. Die nächste Generation wird +/- 100 ppm bringen und auch für den industriellen Temperaturbereich qualifiziert sein.
Kleinste Abmessungen
Aus der Reihe der „All-Silicon“ CMOS Oszillatoren sind nun die ersten drei Typen MM8102 (300 ppm), MM8202 (400 ppm) und MM8203 (2000 ppm) verfügbar. Sie machen IDT zum derzeit einzigen Anbieter reiner Silizium-Oszillatoren mit Quarz-Performance so wohl in Wafer- als auch Gehäusekonfektionierung.
Die neuen Bausteine ersetzen Quarz-basierende Oszillatoren in Anwendungen der Consumer elektronik, des Computings und Storage mit dem Bedarf nach kleinen Bauformen und sie bieten hervorragende Eigenschaften beider Erzeugung der üblichen seriellen Schnittstellen einschließend S-ATA, PCIe, USB 2.0 und USB 3.0. Da die Bausteine auch als Wafer verfügbar sind, können Fertigungs-bzw. Gehäuseverfahren wie CoB (Chip On Board) oder MCM (Multi-ChipModule) angewendet werden, um erheblich Platz zu sparen. Als Verpackung stehen4-Pin Gehäuse mit wahlweise 5 x 3.2 x 0.9 mm oder 2.5 x 2 x 0.6 mm zur Verfügung.
Die Chips werden mit Standard CMOS-Technologie hergestellt und bieten damit den Anwendern eine voll integrierte Alternativezu Quarz basierenden Resonatoren bzw. Oszillatoren. Zudem ist vor allem der MM8202 ideal für sehr flache Consumer-Geräte geeignet, wie beispielsweise SIM-Karten mit hoher Speicherkapazität oder USB-Speichersticks.
Die beiden Typen MM8102 und MM8202 bieten exzellente Frequenzgenauigkeit (wenigerals 300 ppm beim MM8102) und hohe Maximalfrequenzen (bis zu 133 MHz) –ideal für übliche serielle drahtgebundene Übertragungstechnologien, die heute verwendet werden. Beide ICs verbrauchen nur sehr wenig Strom im aktiven Betrieb (2 mA bei 1.8 V) und unterstützen einen Standby-Mode, mit dem sich die Stromaufnahme auf weniger als 1 μA senken lässt. Die monolithischen „All-Silicon“ Schwinger bieten zudem hervorragende Schock- und Vibrationsfestigkeit, da sie die Frequenzen rein elektronisch ohne bewegliche mechanische Teile erzeugen.
Konkurrierende Technologien
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Nach einer Studie des Marktforschungsunternehmens Visant Strategies betrug der weltweite jährliche Umsatz an Quarzen 3.1 Milliarden US$ in 2008 und die Prognose beläuft sich auf 4.3 Milliarden US$ im Jahre 2013. Das Potential für ersetzende Technologien ist also äußerst attraktiv, die Hürden allerdings hoch. Die Fertigung für Quarze und –oszillatoren ist durch eine jahrelange Lernkurve gegangen und daher ausgereift, sprich äußerst preisgünstig.
Zudem ist vor einigen Jahren eine konkurrierende Technologie auf den Markt getreten,die ebenfalls ein Stück vom Kuchen ergattern will. Es handelt sich dabei um MEMS basierende Oszillatoren, die in zwischen zur kommerziellen Reife gelangt sind und von Herstellern wie SiTime oder Discera angebotenwerden. MEMS-Oszillatoren lassen sich mit CMOS-ähnlichen Herstellungsverfahren produzieren, sind ebenfalls äußerst klein in den Abmessungen, höllisch präzise (+/- 10ppm und besser), allerdings sind sie nicht ganz billig.
So kostet beispielsweise ein 12MHz-Oszillator mit +/-50 ppm Genauigkeit in 1k Stückzahlen ca. 1,40 US$, während IDT für seine ersten Oszillatoren MM8202 (+/- 400ppm) einen 1000‘er-Preis von etwa 0,55 US$ angibt. MEMS-Oszillatoren haben zudem den Nachteil, dass sie als „mechanische Schwinger“ genau wie die Quarze anfällig sind gegen Schock und Vibration .Auch lassen sich nicht beliebige Frequenzen als „Grundschwingung“ erzielen, übliche Werte liegen im Bereich einiger MHz. MEMS-Oszillatoren benötigen also i.d.R. PLL-Schaltungen zur Erzielung spezifischer Frequenzen, dazu besondere Ansteuerung für die elektrostatische Anregung und ähnlich wie beim CHO – umfangreiche Kompensationselektronik, denn die Temperaturabhängigkeit ist bei weitem nicht so gut wie bei den Quarzen.
Das alles hat auch seinen Preis im Sinne des Stromverbrauchs, bei dem die reinen CMOS Lösungen nahezu unschlagbar sind. So braucht beispielsweise der MM8202 im Betrieb mit 1.8 V einen maximalen Versorgungsstrom von 2.5 mA (ohne Ausgangslast),mit abgeschaltetem Ausgang ist es lediglich 1 μA. MEMS-Schwinger langen dagegen schon deutlich kräftiger zu, ein vergleichbarer Oszillator mit dieser Technologie zieht etwa den 3- bis 5-fachen Strom.
