Quarzersatz

PLL-basierte Generatoren anstelle von Quarzen vereinfachen Schaltungen und reduzieren Kosten

Für die Herstellung der bekannten Quarzbausteine wurden früher natürlich vorkommende Rohstoffe verwendet. Heute stammt das Rohmaterial für die Präzisionsschwinger aus industrieller Herstellung ist damit frei von Einschlüssen und sonstigen Verunreinigungen, was seinen Einsatz in der Elektronik wesentlich vereinfacht hat und Parameter wie Güte oder Dämpfung deutlich verbesserte.

: Abbildung 1: Quarz in SMD-Gehäuse

Da inzwischen die meisten elektronischen Schaltungen auf synchroner Digitallogik wie „state machines“ basieren und damit ein möglichst präzises Taktsignal benötigen, gibt es in der einschlägigen Industrie einen immensen Bedarf an preisgünstigen Generatoren mit den unterschiedlichsten Frequenzen und Genauigkeitsanforderungen. Quarze sind dafür das ideale Basisbauteil, da ihre Schwingungseigenschaften von mechanischen Abmessungenabhängen, die in der Fertigung recht genau eingestellt werden können und nur sehr geringe Temperaturabhängigkeiten sowie Alterungseffekte aufweisen.

Elektrisch betrachtet handelt es sich bei einem Quarz um ein komplexes Bauelement, das nahe seiner Resonanzfrequenz eine theoretisch unendliche Reaktanz (= Scheinwiderstand) besitzt. Unterhalb dieser Eigenfrequenz ist das Bauelement induktiv, darüber kapazitiv. Da ein Quarz nahe seiner Resonanzfrequenz eine Phasenverschiebung annähernd 180 Grad bewirkt, ist es ideal als zeitbestimmendes Element eines Oszillators. Eingeschleift im Rückkoppelungszweig eines Verstärkers - im einfachsten Fall kann das ein einzelner Transistor sein - wirkt es außerhalb seiner Resonanzfrequenz als gegenkoppelndes, am Resonanzpunkt als mitkoppelndes Element.

: Abbildung 2: Der am häufigsten verwendete AT-Cut

: Abbildung 3: Idealisierter Reaktanzverlauf eines Quarzes. Positive Werte bedeuten induktives Verhalten, negative Werte kapazitives. Quarze werden

: Abbildung 4: Transistoroszillator

Nachteile der Quarzoszillatoren

Quarzbasierende Oszillatoren werden also in vielen Bereichen der Elektronik als Quelle für Taktsignale verwendet. Allerdings gibt es bei ihrem Einsatz auch einige Nachteile:

Zuverlässigkeit: Ein Quarz beinhaltet ein recht filigranes Kristallplättchen, das zwischen 2 Elektroden aufgehängt ist, um frei schwingen zu können. Diese Konstruktion ist letztlich der Grund für seine guten technischen Eigenschaften aber auf der anderen Seite auch seine Achillesverse, denn Sie sind empfindlich gegen mechanischen Schock. So zählen Quarze innerhalb elektronischer System mit weitem Abstand zu den am wenigsten zuverlässigen Bauelementen. Jeder Quarz, der in einer Baugruppe eingespart werden kann, erhöht somit die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
Verfügbarkeit: Lieferzeiten für Quarze und –oszillatoren sind i.d.R. wesentlich länger als die von Halbleiterbauelementen, vor allem dann, wenn es sich um wenig gebräuchliche Frequenzen oder Bauformen handelt.
Kosten: Quarze mit Schwingungsfrequenzen oberhalb von 30 MHz sind recht teuer, das sie im sog. Obertonmodus arbeiten, was eine spezifische Mechanik notwendig macht. Zumeist ist auch in der Oszillatorschaltung mit spezifischen Maßnahmen dafür zu sorgen, dass sie nicht im „gemütlichen“ Grundtonmodus oszillieren.

Clock Trees

In modernen komplexen Systemen werden meist Taktsignale ganz unterschiedlicher Frequenz gebraucht und zudem vielfache „Kopien“ einzelner Taktsignale. Bei höheren Frequenzen ist es dabei ratsam, für jede Taktsenke einen eigenen Treiber zu benutzen, es sind also entsprechende Fanout-Buffer vorzusehen, je nach Anforderung mit Zero-Delay- d.h. PLLTechnik oder auch mittels Treiberbänken. Bei einigen der Taktsignale kann auch die Forderung nach Phasenkopplung bestehen, so z.B. bei Videosystemen, bei denen eine Verrastung von Farbträger mit der Horizontalfrequenz notwendig ist. Nicht zuletzt ist es häufig notwendig, mittels PLL-basierender Spread- Spectrum-Verfahren die Frequenzen zu modulieren, um Störaussendungen um Frequenzband zu verbreitern und damit zu reduzieren. Die Mimik aus Bauelementen zur Erzeugung, Bearbeitung und Verteilung von Taktsignalen wird üblicherweise auch „clock tree“ genannt.

PLL Frequenzsynthese

Mit Hilfe phasengekoppelter Regelschleifen (PLL = Phase-Locked-Loop) lassen sich auf alternative Weise sehr stabile Taktgeneratoren bauen, die auf einem Referenztakt basieren und nahezu jede beliebige Ausgangsfrequenz erzeugen können. Abbildung 5 zeigt das Blockdiagramm einer solchen PLL: Der Referenz- oder Eingangstakt läuft über einen Eingangsteiler „N“ und wird am Phasen-/ Frequenzdetektor mit dem durch Teiler „M“ reduzierten Ausgangsclock verglichen. Die detektierten Abweichungen steuern einen internen VCO so weit, bis Frequenz- und Phasengleichheit erzielt ist. Die Frequenz des Ausgangssignals errechnet sich zu Fout = Fin * N/M.

In der Praxis wird als Referenztakt meist ein Quarzoszillator verwendet, aber es reicht nun im Kontext der Schaltung ein einziger Quarz mit gängiger Frequenz und Bauform aus, denn auch weitere PLL-Generatoren können ihre Referenz daraus beziehen bzw. werden in Multi-PLLClockbausteine mehrfach genutzt.

: Abbildung 5: Blockdiagramm einer PLL - die Ausgangsfrequenz Fout errechnet sich zu Fin * M / N

: Abbildung 6: Quarzoszillator + PLL bilden einen präzisen Taktgenerator

Frequenzgenauigkeit und Stabilität

Die Frequenzgenauigkeit eines Generator wird i.d.R. in ppm – parts per million – angegeben. Anforderungen an die Genauigkeit hängen von der jeweiligen Applikation ab, so braucht ein Mikroprozessor üblicherweise nicht mehr als 200ppm während zum Beispiel Videofrequenzen mit 32ppm wesentlich anspruchsvoller sind. Typische Anforderungen sind:

USB 1.0, 2.0: 500 ppm
Firewire: 100 ppm
Ethernet: 100 ppm
PCI Express: 300 ppm
SONET: 20 ppm

Vorteile PLL-basierender Clockbausteine im Vergleich zu Quarzen

Setzt man als Entwickler bei seiner Schaltungsarchitektur auf hoch integrierte Multi-PLL-Taktbausteine im Gegensatz zu zahlreichen Quarzoszillatoren, ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen, nicht nur solche technischer Natur:

Lagerhaltung und Logistik in der Fertigung und Beschaffung werden wesentlich einfacher, da nur noch eine kleine Anzahl von IC-Typen benötigt wird. Beim Einsatz programmierbarer Taktbausteine ist die Reduktion der Typenvielfalt erheblich.
Komplexe Leiterplattenlayouts lassen sich drastisch vereinfachen, da sich die Zahl der Bauelemente verringert.
Da man mittels PLLs die Steuerung aller Frequenzen eines Systems in der Hand hat, kann diese Möglichkeit auch zur Reduktion der Leistungsaufnahme unter bestimmten Betriebszuständen genutzt werden. Meist sinkt ja der Energieverbrauch überproportional mit dem Absenken der zentralen Taktfrequenzen, sodass bereits geringe Reduktionen der Takte oder Abschaltung einiger Taktausgänge reichen, um einen sparsamen Standby-Modus zu erzielen.
Taktsignale mit unterschiedlicher Frequenz aber perfekter Synchronisation können auf ’s einfachste erzeugt werden. Ein zentraler 27-MHz-Takt in einer Settop- Box kann mit einem 12.288 MHz- Takt für das Audiosubsystem verrastet sein und so für perfekte Lippensynchronität sorgen.
Wenn das Taktgenerator-IC an einer sehr genauen Quelle angeschlossen wird, liefert es auch am Ausgang eine identische Präzision. Speist man beispielsweise eine PLL mit dem Ausgang eines Ofenquarzes (TCXO) mit einer Genauigkeit von +/- 2.5 ppm, so wird auch jede mittels PLL erzeugte Ausgangsfrequenz nur eine Abweichung von +/- 2.5 ppm aufweisen.
Konfigurierbare bzw. programmierbare Taktbausteine erlauben die Änderung von Funktion oder Geschwindigkeit durch Firmware-Upgrade. Bei Bausteinen mit I2C-Schnittstelle können sogar individuelle Anpassungen z.B. in Sachen Spread-Spectrum oder Overclocking (bei PCs) vorgenommen werden.
An einzelnen Taktausgängen kann selektiv und wohldosiert eine Spread-Spectrum- Modulation überlagert werden, um Anforderungen an Störaussendungsgrenzen zu erreichen. Dieser Ansatz ist wesentlich einfacher und kostengünstiger als das Hantieren mit Ferriten, Abschirmblechen und Filtern.
Auch das Schalten von Clocksignalen, das Buffern und die Verteilung können zusätzlich in die PLL-basierenden Bausteine integriert werden, um die Anzahl benötigter Bauelemente auf einer Baugruppe zu reduzieren. Gleichzeitig verbessern sich dadurch Parameter wie der Skew, also der zeitliche Versatz gleicher Takte, da natürlich Treiber auf einem Silizium sehr ähnliche Durchlaufzeiten aufweisen. IDT bietet ein breites Spektrum an programmierbaren Taktquellen, auch solche, die „in system programmable“ sind. Unterstützt werden Schnittstellen wie I2C, JTAG oder einfache serielle Ports. Basierend auf nichtflüchtigen EEPROM- bzw. OTPSpeicherzellen verfügen die Bausteinfamilien über mehrere PLLs, konfigurierbare I/O-Standards sowie interne Routing und Steuerungslogik. Vollständige Clock Trees können damit in einem einzigen Baustein integriert werden.