Die kHz-Quarze, auch Uhren- oder Stimmgabel-Quarze genannt, eignen sich beispielsweise für den diskreten Aufbau eines Oszillators mit Controller oder RTC- (Real Time Clock, Echtzeituhr) IC. Wichtigste Parameter bei einem solchen Design sind der negative Widerstand (Oszillatorverstärkung) und die Lastkapazität der Gesamtschaltung, die nötig ist, um die Phasen- und Amplitudenbedingung (k*v >1) eines selbstständig schwingenden Oszillators zu erfüllen.
Die Liefersituation der kHz-Quarze war in den letzten zwei Jahren durch Verknappung geprägt. Dabei sind Hersteller, die Quarze selbst produzieren, in der Regel noch lieferfähig, während viele andere, die das Rohmaterial zukaufen, ihre Lieferzeit von ca. 16 Wochen auf bis zu zwei Jahre erhöhen mussten. Dass viele namhafte Hersteller über die Jahre die kHz-Quarze aus ihrem Portfolio abgekündigt haben, erschwert die Situation weiter.
Eigene Fertigung erhöht Zuverlässigkeit in Bezug auf Qualität und Lieferzeit
Ein Anbieter, der seine Quarze komplett selbst produziert, ist Epson. In eigenen Autoklaven werden sie aus selbst gezogenem synthetischem Quarzmaterial gefertigt. Damit stellt Epson nicht nur die Verfügbarkeit sicher, sondern sorgt auch für eine zuverlässige, gleichbleibende Qualität.
Inzwischen konzentriert sich Epson bei den kHz-Quarzen vollständig auf die SMD-Bauform, die in besonders kleinen Bauformen mit verschweißtem Metalldeckel (Serien FC3215AN, FC2012AN und FC1610AN) verfügbar sind. Auch plastikumgossene Zylindergehäuse befinden sich nach wie vor im Portfolio. Sie sind für neue Projekte jedoch nicht mehr empfehlenswert, da der Trend in der Produktionsplanung und Kapazitätserweiterung weiter Richtung kleinere Bauformen geht.
Bei den Serien FC2012AN und FC3215AN konnte Epson den maximalen äquivalenten Serienersatzwiderstand (ESR) auf attraktive 50 kOhm senken, was dem üblichen Anstieg des ESR bei kleineren Größen entgegensteht. Für diese sowie die Serien FC-12M und FC1610AN haben sich die Lieferzeiten inzwischen auf 18 Wochen verkürzt.
Der Hunger nach immer größeren Datenmengen und damit höheren Übertragungsgeschwindigkeiten führt zwangsläufig auch zu einer gestiegenen Nachfrage nach höheren Frequenzen. Auch diese MHz-Quarze sind in immer kleineren Gehäusen verfügbar (Serien FA-128, FA-118T und FA1210AN), weil die Entwicklung auch bei dieser Technologie den Zielen der Effizienzsteigerung und Kostenminimierung folgt.
QMEMS, ein Wafer-basiertes Verfahren, kombiniert die hohe Stabilität und Präzision von Quarzen mit der MEMS-Technologie, um hohe Performance in kompakten Gehäusen zu erreichen. Die Dickenscherschwinger (AT-Schnitt) werden im photolithographischen Prozess zu gewaschenen, geschnittenen Chips mit feiner Struktur. Diese Chipformen haben eine größere Elektrodenfläche und dadurch geringere elektrische Widerstandswerte bei kleinen Bauformen. Eine spezielle Weiterverarbeitung mit der HFF- (High-Frequency-Fundamental) Technologie verleiht ihnen auch bei geringer Kristalldicke eine hohe mechanische Stabilität. Das Ergebnis sind Grundwellenschwinger mit Frequenzen von bis zu 500 MHz.
Oftmals liegen die aktuell marktüblichen Lieferzeiten von MHz-Quarzen bei zwei Jahren oder mehr. Bei einigen Serien (z. B FA-128, FC-12M, FA-20H) und technischen Parametern ist Epson jedoch in der Lage, die Produkte bereits nach ca. 18 Wochen zu liefern.
SPXO – programmierbare Oszillatoren
SPXO (Simple Packaged Crystal Oscillators) sind die einfachsten Quarz-Oszillatoren ohne Kompensation oder Temperaturregelung. Sie bestehen aus einer Quarzeinheit und einem Oszillationskreis.
Für Modelle, die auch bei hohen Frequenzen ein sehr geringes Jitter (Phasenrauschen) aufweisen, verwendet Epson neben eigens dafür entwickelten, rauscharmen Oszillator-ICs auch hier ausschließlich Quarze als Grundwellenschwinger, entweder unter Verwendung von HFF-Quarzen oder der PLL- (Phase-Locked Loop, Phasenregelschleife) Technologie.
Mit einem solchen selbstentwickelten Oszillator-IC, der den Frequenz- oder Temperatur-Koeffizienten des HFF-Quarzes kompensiert, erreicht die neue SG2520-Serie ein niedriges Phasenrauschen und eine verbesserte Frequenzstabilität von 25 ppm (SG2520_EGN/VGN) bzw. 20 ppm (SG2520_EHN/VHN) bei -40 bis +125 °C.
Die PLL-Technologie ermöglicht programmierbare Frequenzen zwischen 0,67 MHz und 170 MHz. Damit lassen sich die Bausteine nach Bedarf auf eine bestimmte Frequenz (mit sechs Nachkommastellen) festlegen, was die Verfügbarkeit deutlich verbessert. Die Serie SG-8018 hat zudem eine geringe Abweichung von 50 ppm bei -40 bis +105 °C inklusive Alterungsstabilität über zehn Jahre hinweg. Noch genauer arbeitet die SG-8101-Serie mit einer Toleranz von 15 ppm dank integrierter Temperaturkompensation. Die SG-9101-Serie eignet sich mit ihrer programmierbaren Spread-Spectrum-Fähigkeit besonders gut zur Reduzierung von EMI-Problemen. Sie ist mit Betriebsspannungen von 1,62 bis 3,63 V in verschiedenen Gehäusegrößen verfügbar.
In den letzten Jahren ist der Bedarf an SPXOs stark gestiegen. Hersteller wie Epson mit einer eigenen Entwicklung und Produktion besitzen dennoch einen Wettbewerbsvorteil. Aufgrund der hohen Nachfrage ist es jedoch empfehlenswert, Projekte langfristig zu planen.
TCXO – Temperaturkompensierte Oszillatoren
Für sensible Anwendungen, die auch bei größeren Temperaturschwankungen bzw. über einen breiten Temperaturbereich stabile Frequenzen benötigen, stehen temperatur-kompensierte Oszillatoren (TCXO) zur Verfügung (Bild 4). Durch die eigene IC-Fertigungkann Epson auch die ASICs für seine TCXOs selbst produzieren und die einzelnen Komponenten wie Steuerspannungsgenerator, Korrekturschaltung und Oszillatorkern optimal aufeinander abstimmen. Im Portfolio von Epson sind neben TCXOs mit CMOS-Ausgängen v. a. solche mit Clipped-Sinewave-Ausgängen. Bei diesen ist das Sinussignal abgeschnitten
und erzeugt dadurch im Verhältnis zu CMOS deutlich weniger Oberwellen, was zu einem besseren EMI-Verhalten führt. Die Serien TG2016SxN und TG2025SxN sind mit höchster Stabilität und geringem Phasenrauschen ideal für den Einsatz in drahtlosen Kommunikationsgeräten.
SPXOs und TCXOs sind besonders von den Schwierigkeiten in der Lieferkette betroffen. Dazu trägt noch immer der Großbrand bei, der im Jahr 2020 bei Asahi Kasei Microsystems (AKM) gewütet hat. Der japanische IC-Hersteller hatte bei den temperaturkompensierten Quarzoszillatoren (TCXOs) einen Marktanteil zwischen 80 und 90 %. Die Folge des Brandes war eine globale Verknappung aller Oszillator-Typen. Da Epson seit einigen Jahren fast alle TCXO-Linien mit eigens entwickelten und produzierten ICs ausgestattet hat, konnte der Hersteller viele Bedarfe decken. Mittlerweile hat Epson die Fertigung nahezu verdoppelt, sodass Lieferzeiten von ca. 18 Wochen oder besser die Regel sind.
RTC – Echtzeituhren
Ein diskretes Design mit Oszillatoren ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen, erfordert aber auch Verständnis für die einzelnen Komponenten. So kommt es häufig zu Fehlern, die viel Zeit für Design-Korrekturen nach sich ziehen. Einfacher ist der Einsatz fertiger Echtzeituhren (RTC). Epson bietet komplette Module inklusive Quarz, Halbleiter, Oszillator und weiteren Komponenten für vielerlei Zusatzfeatures (Wakeup-Timer, Alarm, Time Stamp, Batterieladefunktion, flexible Pin-Belegung FOUT / TIME STAMP) in einem Gehäuse mit I2C-Protokoll, aber auch mit 3- oder 4-Wire-SPI. Das reduziert nicht nur die Entwicklungszeit, sondern meist auch den Platzbedarf und den Stromverbrauch.
Hochgenaue RTCs beinhalten zudem einen DTCXO (digitaler temperaturkompensierter Oszillator). Mit Hilfe dieser digitalen Schaltung wird die Abweichung der Ausgangsfrequenz kompensiert. So kommen die beiden Typen RX8900CE und RX8804CE auf eine maximale Abweichung von 9 sec/Monat bei -40 °C bis 85 °C bzw. 21 sec/Monat bei -40 °C bis 105 °C.
Die neueste Serie RX8901CE erreicht trotz Temperaturkompensation bis 105 °C einen Stand-by-Strom von typischerweise nur 240 nA und beinhaltet zudem ein Maximum an Zusatzfunktion für vielseitigste Anwendungen.
Da die Nachfrage nach RTCs weiter zunimmt, um die erhöhten Temperaturanforderungen, Stand-by-Zeiten und Funktionalitäten vieler Anwendungen zu erreichen, ist es ratsam, Projekte sorgsam zu planen und einzuphasen. Dadurch können Lieferzeiten von sechs bis zwölf Monaten umgangen werden.
Weitere Informationen und eine direkte Bestellmöglichkeit finden Sie auch auf unserer e-Commerce-Plattform www.rutronik24.com.
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