Miniaturisierungstrends bei Quarzen und Oszillatoren

Quarze oder Oszillatoren sind in elektronischen Schaltungen als taktgebende Bauelemente unerlässlich. Ohne Takt sind Prozessoren und Controller nicht funktionsfähig.

Quarze sind piezoelektromechanische Elemente, in deren Gehäuse an einem Punkt freischwingend das Quarzelement ("blank") angebracht ist. Durch den piezoelektrischen Effekt entsteht ein Schwingkreis, bei dem mechanische Energie mit elektrischer Energie ausgetauscht wird. Die Miniaturisierung stellt aufgrund der erforderlichen Gasumgebung um das Quarzelement eine besondere Herausforderung dar.

Für einen vollständigen Oszillator sind weitere Komponenten notwendig. Ein Operationsverstärker gleicht die natürliche Dämpfung des Quarzes aus und ein Netzwerk aus Kondensatoren passt den Operationsverstärker an den Quarz an. In der Praxis gibt es zwei Hauptvarianten für den Aufbau eines Oszillators:

Eigenständiges Bauelement: Dieses fertige und funktionierende Bauelement enthält die drei Komponenten (Quarz, Operationsverstärker und Kondensator) in einem Gehäuse. Es erfordert nur geringen Entwicklungsaufwand und ist etwa 2-3 Mal teurer als ein einzelner Quarz.
Diskret mit Quarz: Hier stellt der zu taktende IC einen integrierten Operationsverstärker zur Verfügung, der mit dem Quarz und einem passenden Kondensator-Netzwerk verbunden wird.

Als Faustregel lohnt sich der Einsatz eines eigenständigen Quarzes ab einer Stückzahl von etwa 3.000-5.000, unter Berücksichtigung aller Prozesskosten.

Die Potenziale zur Miniaturisierung von Quarzen und Oszillatoren sind vielerorts noch nicht ausreichend bekannt. Dies liegt zum Teil daran, dass sich viele nur zögerlich mit diesem Thema auseinandersetzen und das erforderliche Wissen für die Entwicklungsarbeit möglicherweise nicht ausreichend vorhanden ist. Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung kleinerer Quarze ist der Zusammenhang zwischen der Verkleinerung des Quarzes und dem Anstieg des Resonanzwiderstands, was zu einer höheren Dämpfung führt. Eine detaillierte Darstellung dieses Sachverhaltes ist in "Die Falle bei der Miniaturisierung von Quarzen" zu finden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaft, dass geringe Frequenzen ein größeres Volumen benötigen, steigt in der Regel die kleinste verfügbare Frequenz beim Übergang zu einer kleineren Bauform.

Hauptmerkmale:

Bauformen ab 1,6 x 1,2 x 0,5mm
Frequenzen: 1-160MHz
Max. Temperaturbereich: -40°C bis +125°C
Toleranzen: ±10-30ppm
AEC-Q200 Zertifizierung möglich

Anwendungsgebiet:

Taktgeber für alle Art von integrierten Schaltkreisen

Übersicht Quarze in kleinen Bauformen

Bauform	Abmessungen (LxBxH)	Frequenz	ESR (Ohm)	Temperaturbereich max.	Toleranz	Lastkapazität	VPE (Stück)
HC1612/4	1,6 x 1,2 x 0,4mm	24-100MHz	80-150	-40°C bis +85°C	±10-30ppm	6-30pF	3.000
HC2016/4	2,0 x 1,6 x 0,5mm	16-96MHz	60-200	-40°C bis +85°C	±10-30ppm	6-30pF	3.000
HC2520/4	2,5 x 2,0 x 0,6mm	12-100MHz	60-180	-40°C bis +125°C	±10-30ppm	6-50pF	3.000
CM2016/4	2,0 x 1,6 x 0,7mm	16-54MHz	80-250	-40°C bis +85°C	±10-30ppm	6-30pF	3.000

HC: SMD Gehäuse bestehend aus einem keramischen Grundkörper mit verschweißtem Metalldeckel.
CM: SMD Gehäuse bestehend aus einem keramischen Grundkörper dessen Metalldeckel mit einem Epoxy verbunden wird, um die gewünschte Dichtigkeit herzustellen. Möglicherweise kostengünstiger.

Übersicht Oszillatoren CMOS in kleinen Bauformen

Bauform	Abmessungen (LxBxH)	Frequenz	V_dd	Temperaturbereich max.	Toleranz	Stromaufnahme	VPE (Stück)
AQO1612	1,6 x 1,2 x 0,8mm	2-80MHz	1,8 - 3,3	-40°C bis +85°C	±20-100ppm	10-15mA	3.000
AQO2016	2,0 x 1,6 x 0,8mm	1-160MHz	0,8 - 3,6	-40°C bis +85°C	±20-100ppm	5-15mA	3.000
AQO2520	2,5 x 2,0 x 1,0mm	1-160MHz	0,8 - 5,0	-40°C bis +85°C	±20-100ppm	5-25mA	3.000