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Das richtige Oszillator-Timing ist bei präzisen Zeitmessungslösungen extrem wichtig.

Bild: iStock, Talaj

Perfektes Timing Präzise Zeitmessungslösungen mit Oszillatoren dank dem richtigen Design

29.08.2022

Die Einführung von 5G führt zu einem schnellen Wachstum der Edge-Implementierungen von öffentlichen und privaten Telekommunikationsnetzen bis hin zu Edge-Rechenzentren, industriellem IoT und autonomen Fahrzeugen. Es wird erwartet, dass das 5G-Radio Access Network (RAN) bis 2025 mehr als 30 Prozent aller mobilen Internetverbindungen unterstützen wird und dass 22 Millionen autonome Fahrzeuge unterwegs sein werden. Damit das Zusammenspiel aller Komponenten klappt, kommt es auf das richtige Oszillator-Timing an.

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Die beträchtliche Zunahme der Daten, die über den Netzwerkrand ausgetauscht werden, zusammen mit der Nachfrage nach schnelleren Geschwindigkeiten und niedrigeren Latenzzeiten, beschleunigt und verschärft wiederum den Bedarf an Präzisionszeit. Dieser Trend zeigt sich in einer breiten Palette von Anwendungen am Network-Edge. Das 5G-Zugangsnetz erfordert eine Synchronisierung jedes Funkgeräts innerhalb von 130 ns, um das zehnfache präziserer als bei 4G. Gehostete Finanztransaktionen benötigen Zeitstempel mit einer Genauigkeit von 50 µs, um die regulatorischen Anforderungen zu erfüllen, und IoT-Sensoren müssen über einen Zeitraum von 30 Tagen oder mehr eine Zeitabweichung von unter einer Millisekunde einhalten.

Neue Anforderungen an die Zeitmessung

Nicht nur dem wachsenden Bedarf an präziser Zeitmessung müssen die Oszillatoren von heute, genügen. Umweltverträglicher, zuverlässiger, kleiner und stromsparender als je zuvor sollen sie werden. Zudem sind schnelle thermische Schocks und Vibrationen in Außenumgebungen, in denen Funkeinheiten, Edge-Datenzentren und Fahrzeuge immer häufiger anzutreffen sind, an der Tagesordnung.

Kompakte Geräte wie Small-Cell-Funkeinheiten und Remote-Sensoren machen es erforderlich, dass präzise Zeitmessungslösungen kleiner sind und weniger Strom verbrauchen. Da unternehmenskritische Anwendungen wie das 5G-Netz und autonome Fahrzeuge zunehmend von präziser Zeit abhängen, müssen Qualität und Zuverlässigkeit drastisch verbessert werden. Der Bedarf an Präzisionstaktgebern gerade auch im Bereich Network-Edge wird nach Schätzung von SiTime bis 2025 massiv anwachsen.

MEMS-Technologie bei Oszillatoren

Der Stratum 3E MEMS Super TCXO, wie der Elite X Super-TCXO des Unternehmens SiTime, ist eine neue Klasse von Timing-Lösungen. Sie übertreffen Quarz-TCXOs mit einer Temperaturstabilität von ± 10 ppb ohne die Nachteile, die mit Quarz-OCXOs verbunden sind. Die besondere DualMEMS-Architektur, mit TurboCompensation lässt den Elite X Temperaturänderungen bis zu 30 Mikro-Kelvin erkennen und ist damit zehnmal genauer als Quarz-TCXOs und kompensiert Temperaturänderungen 40-mal schneller als ein herkömmlicher Quarz-TCXO.

In Kombination mit der thermischen Kompensationstechnologie ermöglicht der Siliziumherstellungsprozess eine detaillierte und für jedes Bauelement spezielle Trimmung der Übertemperatur, wodurch eine Temperaturstabilität von ±10 ppb erreicht, ein Präzisionsniveau, das die Möglichkeiten jedes Quarz-TCXOs übersteigt.

MEMS basierte Super-TCXOs

Die Elite MEMS Super-TCXOs verfügen über eine ausgefeilte DualMEMS-Architektur mit TurboCompensation, die für eine hohe dynamische Leistung und Präzision ausgelegt ist. Die dynamische Leistung eines TCXOs ist entscheidend für Netzwerk-Edge-Anwendungen, bei denen schnelle thermische Schocks und Vibrationen an der Tagesordnung sind, wie zum Beispiel bei Funkeinheiten, Edge-Datenzentren und autonomen Fahrzeugen. Dieser Architektur liegt der genaueste Silizium-Temperatursensor der Welt zugrunde.

Der entscheidende Vorteil des MEMS Konzepts: Dieser Temperatursensor besteht aus zwei MEMS-Resonatoren, die auf demselben Chip gefertigt sind (eine einzigartige Konstruktion, die nur mit Halbleitern und nicht mit Quarz möglich ist). Der eine hat eine flache Frequenzcharakteristik über die Temperatur; der zweite MEMS-Resonator reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen und dient als Temperatursensor für diese Anordnung. Das Verhältnis der Frequenzen zwischen diesen beiden Resonatoren ermöglicht eine sehr genaue Messung der Resonatortemperatur mit einer Auflösung von circa 30 µK.

Durchdachtes Design

Dieses DualMEMS-Design eliminiert thermische Gradienten zwischen dem Resonator und dem Temperatursensor. Es gibt keine Verzögerung zwischen dem MEMS-Resonator und dem MEMS-Temperatursensor, da sich beide Resonatoren physisch auf demselben Chipsubstrat befinden und daher eine 100-prozentige thermische Kopplung aufweisen. Das TurboCompensation-Design mit einer Kompensationsbandbreite von Hunderten von Hz erreicht eine dynamische Leistung, die jedem Quarz-TCXO weit überlegen ist. Da die DualMEMS dasselbe Substrat nutzen, sind sie sehr eng gekoppelt. Zudem ist der DualMEMS-Chip physisch auf dem Oszillator/PLL-IC gestapelt, wodurch eine enge Kopplung zwischen dem MEMS- und dem CMOS-IC entsteht. Durch diese enge Kopplung kann Elite X Temperaturtransienten viel schneller erfassen und kompensieren als eine quarzbasierte Lösung.

Die Leistung von Quarz-TCXOs und auch OCXOs hingegen wird durch die Verwendung eines speziellen diskreten Temperatursensors, der sich auf dem Oszillator-IC in einem gewissen Abstand zum Resonator befindet, grundlegend beeinträchtigt. Der Quarzkristall ist auf Pads montiert und über Durchkontaktierungen mit dem Oszillator-IC verbunden. Zwischen dem Resonator und dem Oszillator-IC muss ein Abstand eingehalten werden, damit der Kristall frei schwingen kann. Diese physische Trennung zwischen Quarzresonator und Temperatursensor führt zu einer thermischen Verzögerung, die insbesondere bei schnellen thermischen Transienten zu einem Frequenzkompensationsfehler führt. Infolgedessen können TCXOs und OCXOs aus Quarz abrupte und große Frequenztransienten erzeugen, wenn sie einer Luftströmung und/oder Temperaturstörung ausgesetzt sind.

Geringe elektrische Leistungsaufnahme

Im Gegensatz zu einem OCXO ist im Elite X Super-TCXO kein Heizelement vorhanden Das ermöglicht eine Betriebstemperatur von 105 °C, die höher ist als bei Quarz-OCXOs, während gleichzeitig der Stromverbrauch und die Größe des Bauelementes erheblich reduziert werden. Passive Komponenten und Lötstellen sind nicht nur groß und verbrauchen in der Regel mehr als 400 mW Leistung. Durch den geringen Stromverbrauchs von Elite X können stromverbrauchsempfindliche und batteriebetriebene Edge-Geräte oder IoT-Systeme, die einen Miniatur-OCXO verwenden, über längere Zeiträume eingesetzt werden.

Temperatur unter Kontrolle

Um ihre Leistung über die Temperatur zu erreichen, sind Quarz-OCXOs besonders darauf angewiesen, den Kristall auf eine idealerweise konstante Innentemperatur zu erhitzen, die im Allgemeinen über 85 °C liegt. Bei jahrelangem Betrieb bei diesen hohen Temperaturen werden die passiven Komponenten und Lötstellen im Inneren des OCXO schwächer, zunehmend störanfällig oder versagen, was im besten Fall zu einer drastischen Verschlechterung der Leistung und im schlimmsten Fall zum Totalausfall des Geräts führt. Was dem Quarz-OCXO den Ruf schlechter Zuverlässigkeit eingebracht hat. Alternativ verwenden Quarz-TCXOs keramische Gehäuse in erster Linie für die hermetische Abdichtung, und die ordnungsgemäße Abdichtung ist ein Problem für die Qualität und langfristige Zuverlässigkeit dieser Geräte.

Im Gegensatz dazu werden die Silizium-MEMS-Resonatoren etwa von SiTime auf Wafer-Ebene durch das Hochtemperatur-Epi-Seal-Verfahren hermetisch versiegelt und benötigen keine hermetische Versiegelung auf Gehäuseebene, so dass sie nicht denselben Qualitäts- und Zuverlässigkeitsbedenken unterliegen wie Quarzbauteile. Das Unternehmen verwendet das Keramikgehäuse wegen seiner mechanischen Steifigkeit, was zu den niedrigsten möglichen Werten führt. Jeder Elite X Super-TCXO wird nach der Montage getrimmt, programmiert und getestet, um beste Leistung und Qualität zu gewährleisten.

Ingenieure benötigen für missionskritische Anwendungen wie autonome Fahrzeuge eine extreme Zeitgenauigkeit, die die Grenzen von Quarz-TCXOs überschreitet, aber sie können die schlechte Qualität und Zuverlässigkeit von Quarz-Miniatur-OCXOs nicht akzeptieren. Elite X bietet eine hohe dynamische Leistung sowie Robustheit und Zuverlässigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und unterstützt damit vernetzte Fahrzeuge, damit der Endnutzer sicher bleibt.

Fazit

Neben dem wachsenden Bedarf an präziser Zeitmessung müssen die Oszillatoren von heute umweltverträglicher, zuverlässiger, kleiner und stromsparender sein als je zuvor. Die dynamische Leistung eins TCXO ist entscheidend für Netzwerk-Edge-Anwendungen, bei denen schnelle thermische Schocks und Vibrationen an der Tagesordnung sind, wie zum Beispiel bei Funkeinheiten, Edge-Datenzentren und autonomen Fahrzeugen auf Straßen und Schienen.

Mit Elite X MEMS TCXOs, so der Hersteller, müssen Ingenieure keine kritischen Kompromisse mehr zwischen Leistung, Stromverbrauch, Größe und Zuverlässigkeit eingehen, um Quarz-Miniatur-OCXOs in Netzwerk-Edge-Anwendungen zu ersetzen. Eine hohe dynamische Performance, ermöglicht genauere paketbasierte Synchronisierung auch in Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, bei zudem geringerem Stromverbrauch. Zudem wird ein stabiles Timing auch bei widrigen Umwelteinflüssen gewährleistet.

Die MEMS-Technologie nutzt die DualMEMS-Architektur, die von SiTime entwickelt wurde, zusammen mit TurboCompensation zur Fertigung von Stratum 3E MEMS Super TCXO, um tief verwurzelte Timing-Probleme in vielen Hochleistungsanwendungen wie zum Beispiel Telekommunikation, Netzwerktechnik und Automotive-, Luft- und Raumfahrttechnik zu lösen beziehungsweise zu vermeiden. Das Unternehmen bietet eine umfangreiche Palette von Präzisions-Super-TCXOs und OCXOs an, die Anwendungen vom Netzwerk-Edge bis hin zu industrieller Infrastruktur sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung unterstützen.

Bildergalerie

  • Die Lösung Stratum 3E MEMS Super TCXO, wie der Elite X Super-TCXO des Unternehmens SiTime, verspricht eine hohe Timing-Genauigkeit.

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  • Das DualMEMS-Design verhindert thermische Gradienten zwischen dem integrierten Resonator und dem Temperatursensor.

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