Bild 1: Die überproportional wachsende Mobilfunkkommunikation verlangt nach Oszillatorlösungen, die bezüglich Leistung, Effizienz und Kosten optimiert sind.

Bild 1: Die überproportional wachsende Mobilfunkkommunikation verlangt nach Oszillatorlösungen, die bezüglich Leistung, Effizienz und Kosten optimiert sind. WDI

Der überproportional wachsende Bedarf an kleinen Funkzellen in der Mobilfunkkommunikation verlangt nach Oszillatorlösungen, die bezüglich Leistung, Effizienz und Kosten optimiert sind.

Technologische Fortschritte haben sowohl bei OCXOs (ofenstabilisierte Quarzoszillatoren) als auch bei VC-TCXOs (temperaturkompensierte, spannungsgesteuerte Quarzoszillatore) zu Verbesserungen geführt, die die früheren Grenzen zwischen diesen beiden Typen verschwimmen lassen. Durch die technologisch erzielten Verbesserungen in der Funktionalität wird es für viele Schaltungsentwickler zunehmend schwieriger herauszufinden, welche Oszillatortechnik für eine bestimmte Anwendung optimal geeignet ist.

Dieser Beitrag informiert den Entwickler über die verbesserten Leistungsmerkmale der aktuellen VC-TCXO Generation, auch im Vergleich zur OCXO-Technologie. Die hier dargestellten Informationen beziehen sich auf handelsübliche, serienmäßig produzierte OCXOs und VC-TCXOs für Drahtlos-Anwendungen. Dabei variieren die genauen Werte je nach Anbieter, die allgemeinen Tendenzen und ungefähren Größenordnungen dürften jedoch vergleichbar sein.

Eckdaten

Klassische temperaturstabilisierte Quarzoszillatoren (OCXO) sind sehr frequenzstabil und erlauben auch eine Verwendung der Oberwellen. Neuere spannungsgesteuerte VC-TCXO sind mittlerweile gleichermaßen frequenzstabil,  weniger komplex im Aufbau und deutlich kleiner wie auch energiesparsamer, was sie gegenüber den OCXOs ausgesprochen konkurrenzfähig macht.

Frequenz per Steuerspannung feinjustieren

VC-TCXOs sind intern temperaturkompensierte Quarzoszillatoren, die sich durch eine externe Korrekturspannung am Voltage-Control-Pin in einem schmalen Frequenzbereich trimmen lassen. Die interne Kompensation gleicht ein temperaturabhängiges Driften elektronisch aus, um den Quarz wieder auf Nennfrequenz zu bringen. Alle mit dem Quarz selbst zusammenhängenden Faktoren lassen sich jedoch nicht korrigieren und überlagern die resultierende Frequenz-Temperatur-Kurve, was Design und Herstellung von Quarzen in VC-TCXO-Technologie zu einem schwierigen und kritischen Unterfangen macht.

Bild 2: Die für heutige VC-TCXOs in Small-Cell-Anwendung dargestellten Frequenz-/Temperatur- und Hysterese-Eigenschaften wären in der Vergangenheit nur mit einem OCXO realisierbar gewesen.

Bild 2: Die für heutige VC-TCXOs in Small-Cell-Anwendung dargestellten Frequenz-/Temperatur- und Hysterese-Eigenschaften wären in der Vergangenheit nur mit einem OCXO realisierbar gewesen. WDI

Für die meisten VC-TCXOs wird eine Spannungsregelung benötigt, die eine exakte Einstellung der Frequenz und eine wegen der Langzeitalterung erforderliche Justierung ermöglicht. Zudem muss die Regelungsfunktion in der Lage sein, eine Phasensynchronisierung zwischen dem Bauteil und anderen Quellen vorzunehmen. Diese Funktion wird durch eine Justierung der Lastkapazität für den Quarz realisiert. Die Möglichkeit einer Spannungsregelung wird für die meisten Funk-Anwendungen als finale Feinjustierung benötigt.

Die genauen VC-TCXO-Spezifikationen sind von einem Hersteller zum anderen wie erwähnt häufig etwas unterschiedlich. Im Allgemeinen benötigen sogenannte „Small Cells“ eine Stabilität von ± 0,1 ppm über einen spezifizierten Temperaturbereich. Die gängigen Spezifikationen definieren im Betriebstemperaturbereich von 0 bis 80 °C eine Ziehbarkeit von ± 5 ppm für die Spannungsregelungsfunktion. Erst in den letzten Jahren hat sich die Quarztechnologie so weit verbessert, dass eine zuverlässige Kompensation auf diesem Niveau erreicht wird. Bei der Herstellung solcher Quarze sind diverse technische Aspekte zu berücksichtigen. Die produzierten Quarze für einen VC-TCXO müssen störungsfrei sein und sehr geringe Alterungseigenschaften sowie eine geringe Hysterese aufweisen.

Bild 3: Durch die interne Temperierung von OCXOs zwischen 70 und 80 °C im Bereich des oberen Frequenzdrift-Umkehrpunktes bei etwa -20 ppm sind diese Oszillatoren sehr stabil.

Bild 3: Durch die interne Temperierung von OCXOs zwischen 70 und 80 °C im Bereich des oberen Frequenzdrift-Umkehrpunktes bei etwa -20 ppm sind diese Oszillatoren sehr stabil. WDI

In Bezug auf den Temperaturgang der Frequenz und die Hysterese-Eigenschaften bewegt sich das Leistungsniveau heutiger VC-TCXOs für Funkanwendungen in einem Bereich, der vor noch nicht allzu langer Zeit allein den OCXOs vorbehalten war (Bild 2). Dank verbesserter Halbleiterbauelemente und optimierter Prozesse in Quarzdesign und -herstellung können VC-TXCOs heute durchaus im Bereich von ± 0,1 ppm Stabilität mithalten. Die zum Ausgleich von Frequenzdrift und Langzeitalterungsmerkmalen erforderliche Korrekturspannung wird normalerweise durch eine NTP- (Network Time Protocol) oder PTP-Implementierung (Precision Time Protocol) nach IEEE-1588 erzeugt. VC-TCXOs zeichnen sich durch sehr geringe Alterungsraten und sehr lineare Eigenschaften hinsichtlich der Spannungsregelungsfunktion aus.

Dabei sind es nicht nur die präzise Kompensation, die geringe Hysterese und die geringen Alterungsraten, die VC-TCXOs zu einer außergewöhnlichen Lösung für „Small-Cell“-Anwendungen machen, sondern auch der deutlich geringe Stromverbrauch. Für Applikationen wie hier angesprochen, brauchen VC-TCXOs etwa 2 mA, während ein OCXO etwa 100 mA benötigen würde. Im direkten Vergleich sind die traditionellen OCXOs aufgrund ihrer Größe, ihres Leistungsbedarfs und der Aufwärmzeit deutlich im Nachteil.

Hochpräziser Taktgeber mit Standheizung

BeiOCXOs sorgt ein  internes Heizelement für die Temperaturstabilisierung, weshalb sie unter Entwicklern auch als Quarzöfen bezeichnet werden. Der Quarz und die zugehörige Oszillatorschaltung werden im normalen Betrieb bis zum oberen Frequenzdrift-Umkehrpunkt mit etwa -20 ppm auf zirka 75 °C erwärmt und in einem schmalen Temperaturfenster gehalten (Bild 3). OCXOs finden ihren Einsatz in Anwendungen, die eine hochpräzise Frequenzregelung erfordern.

Die Quarze für diese Oszillatoren werden so hergestellt, dass der obere Frequenzdrift-Umkehrpunkt oberhalb des höchsten spezifizierten Temperaturbereichs liegt. Eine Frequenzfeinabstimmung erfolgt dann bei dem um diesen Umkehrpunkt herum temperierten Quarz.

Tabelle 1: Vergleich der Merkmale von OCXOs und VC-TCXOs für Small-Cell-Anwendungen.

Tabelle 1: Vergleich der Merkmale von OCXOs und VC-TCXOs für Small-Cell-Anwendungen. WDI

Vorteilhafter Weise wird der Quarz eines OCXOs nur im erwähnten sehr engen Temperaturfenster betrieben, was ungewünschte Schwingungsmoden des Quarzes weitestgehend verhindert. In der VC-TCXO-Technik werden die Quarzeigenschaften hingegen elektronisch kompensiert. Damit wird die Qualität der in den Anwendungen benutzten Quarze zu einem äußerst wichtigen Kriterium.

Tabelle 1 stellt die Unterschiede zwischen OCXO- und VC-TCXO-Produkten zusammenfassend gegenüber. Im Allgemeinen werden VC-TCXOs bevorzugt, wenn Größe und Stromverbrauch kritische Faktoren für die Anwendung sind. OCXOs waren früher im Vorteil, da sie eine niedrigere Empfindlichkeit auch gegenüber geringen Stabilitätsveränderungen aufweisen, die bei Änderungen der Spannungsregelungsfunktion auf den Höchst- oder Mindestwert auftreten. Die in den Anwendungen verwendeten Halbleiter haben für diesen Zweck jedoch eine Kompensationsschaltung. Die verbesserte Leistung macht die heutigen VC-TCXOs gegenüber der OCXO-Technik ausgesprochen konkurrenzfähig.