Frequenzstabilität von TCXOs und OCXOs

Bild 1: Die MEMS-basierende OCXO-Platform Emerald ist auch stabil, sobald die Temperatur den Nenntemperaturbereich überschreitet. SiTime

Wenn genaue Stabilität erforderlich ist  – wie bei drahtlosen Infrastrukturgeräten  – setzen die Entwickler auf TCXOs (temperaturkompensierte Oszillatoren) und OCXOs (ofengesteuerte Oszillatoren). Diese Oszillatoren sorgen für eine bessere Frequenzstabilität bei Temperaturänderungen und damit stabiles und genaues Timing. Hohe Temperaturen und starke Temperaturschwankungen sind zwei der Hauptursachen für die Instabilität der Oszillatoren. TCXOs und OCXOs sind jedoch bei Nennbetriebstemperaturen über +85 °C, was allgemein als der obere Bereich für industrielle Anwendungen angesehen wird, schwer zu finden.

85 °C mögen hoch erscheinen, aber in den heute dichter gepackten Betriebsumgebungen kann die Umgebungstemperatur in Systemgehäusen schnell ansteigen. Telekommunikations- und Netzwerkgeräte arbeiten zum Beispiel in warmen/heißen Umgebungen und die Wärmabgabe der Elektronik tut ihr übriges um die Temperatur steigen zu lassen. Viele dieser Systeme verwenden aktive Kühlung – bürstenlose DC-Lüfter zählen zu den beliebtesten Elementen – um die Temperaturen innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs zu halten.

Bild 2: Um die Temperaturen innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs zu halten, werden auch Lüfter eingesetzt. Sie sind nicht immer störsicher und können aus verschiedenen Gründen ausfallen. Endrich

Dennoch sind diese Lüfter in Bild 2 für Applikationen, die eine niedrigere MTBF aufweisen verglichen zu denen, die in Hostsystemen verwendet werden, nicht störsicher und können aus verschiedenen Gründen ausfallen. Aufgrund dieses Risikos ist es wichtig zu wissen, wie sich kritische Komponenten wie Oszillatoren, die den Herzschlag des Systems liefern, unter Fehlerbedingungen verhalten können.

Die Grenzen ausreizen

Zu diesem Zweck wurden Spezifikationsgrenzen verschiedener Oszillatoren überschritten und die Stabilität über den Nennbetriebsbereich hinaus gemessen. Die TCXOs wurden sowohl bei +85 °C getestet als auch über die Grenze hinaus bis +125 °C. Zudem wurde das Verfahren auf OCXOs angewendet und die Messergebnisse bei +85 °C bis +105 °C ermittelt. Die Diagramme zeigen den resultierenden Performanceabfall bei diesen höheren Temperaturen. Bei jedem Test wird ein MEMS-Oszillator (mit der grünen Linie dargestellt) mit Quarzoszillatoren verschiedener Hersteller, die alle der gleichen elektrischen Spezifikation unterliegen, verglichen. Um den Vergleich zu vereinfachen, werden die Werte der Bauelemente, ausgehend von der gemessenen Frequenz bei der Referenztemperatur von +85 °C ermittelt.

Bild 3: Fünf TCXOs, die für den Einsatz in Industrieapplikationen spezifiziert sind. SiTime

Bild 3 zeigt die Frequenzstabilität, beginnend bei +85 °C bis +125 °C von fünf TCXOs, die für den Einsatz in Industrieapplikationen spezifiziert sind. Die auf MEMS basierende Elite-Plattform Super-TCXO SiT5356 von Sitime (Vertrieb: Endrich Bauelemente) weist eine geringe Degradation auf. Im Gegensatz dazu verschlechtert sich die Stabilität der Quarz-TCXOs in den Zehntausend-ppb-Bereich.

Da der Frequenzversatz in den Quarzoszillatoren extrem hoch liegt, wird auf der vertikalen y-Achse ein sehr großer Wertebereich verwendet. In Bild 4 wird für den gleichen Test ein engerer Wertebereich gezeigt, um die Stabilität der MEMS- Oszillatoren darzustellen. Ersichtlich wird zudem wie die Stabilität der auf Quarz basierenden Oszillatoren sich schnell außerhalb des Nenntemperaturbereichs verschlechtert.

Bild 4: Gleicher Test wie in Bild 3, jedoch mit engerem Wertebereich, um die Stabilität der MEMS-Oszillatoren darzustellen. SiTime

Frequenzstabilität, gemessen durch Offset in ppb (parts per Milliarde) wie oben gezeigt, ist eine kritische Leistungsspezifikation für Oszillatoren. Eine weitere wichtige Metrik für Präzisionsoszillatoren ist die Frequenz gegenüber der Temperatursteigung (ΔF/ΔT). In Systemen, die eine Zeit- und Frequenzübertragung unter Verwendung von IEEE-1588 erfordern, trägt ein besseres ΔF/ΔT zur Verbesserung des Zeitfehlers bei.

Bild 5: Die Steigung (ΔF/ΔT) von +85 °C bis +125 °C für die gleichen industriellen TCXOs aus Bild 4. SiTime

Bild 5 zeigt die Steigung (ΔF/ΔT) von +85 °C bis +125 °C für die gleichen industriellen TCXOs. Die Werte beziehen sich wiederum auf den Frequenz-Offset bei +85 °C. Auch hier verschlechtert sich die Stabilität der quarzbasierten Oszillatoren unmittelbar außerhalb der Nenntemperatur. Die Frequenzänderungsrate steigt von 10 ppb/°C zwischen +85 °C und +95 °C und auf fast 3000 ppb/°C bei +125 °C. Im Gegensatz dazu zeigt der MEMS-basierte SiT5356 eine Steigung, die besser als 2 ppb/°C bis +105 °C ist und bei +125 °C auf nur 8 ppb/°C steigt. Die Gesamtfrequenzänderung von +85 °C auf 125 °C beträgt lediglich 50 ppb. In Bild 5 ist die Frequenzänderungsrate des MEMS-Oszillators im Vergleich zu den Quarzoszillatoren kaum ablesbar.

Wie sieht es für die präziseren OCXOs aus?

Beim Testen von OCXOs tritt ein ähnliches Verhalten auf, wie in Bild 6 dargestellt. Vergleichen wir das Verhalten von vier OCXOs für den industriellen Einsatz ebenfalls von +85 °C bis +125 °C. Die Stabilität von Quarz-basierten Oszillatoren beginnt abzunehmen, sobald die Temperatur den Nenntemperaturbereich überschreitet, während die auf MEMS-basierende SiT5711 Emerald Platform OCXO die Stabilität beibehält.

Bild 6: Verhalten von vier OCXOs für den industriellen Einsatz. SiTime

Im Bild 7 die ΔF/ΔT-Messungen der gleichen vier OCXOs von +85 °C bis +125 °C. Die Frequenzsteigung der Quarz-OCXOs verschlechtert sich bis zu 30 ppb/°C. Im Gegensatz dazu hält der MEMS-basierte SiT5711 OCXO die Nennstabilität bis +105 °C mit einer Steigung von weniger als 0,5 ppb/°C.

Bild 7: Der MEMS-basierte SiT5711 OCXO hält die Nennstabilität bis +105 °C. SiTime

Auswirkungen auf das System

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und anderen schwierigen Bedingungen wird in Kommunikationssystemen der nächsten Generation immer wichtiger, da die 5G-Infrastruktur an dichteren und weniger kontrollierten Standorten eingesetzt wird. Mit Oszillatoren, die bei hoher Hitze „cool bleiben“, bietet die Timing-Technologie von Sitime (Eigenschreibweise: SiTime) die Robustheit, die für diese Anwendungen erforderlich ist, ins besondere wenn diese in rauen Umgebungen installiert werden.

(jj)