MEMS-basierte Holdover-Oszillatoren: Präzision neu gedacht

Präzises Timing ist der Herzschlag der Elektronik und sorgt für den reibungslosen Betrieb und die Synchronisation unzähliger Bauteile, Systeme und Netzwerke. In der heutigen intelligenten und vernetzten Elektronik ist die Nachfrage nach präzisem und zuverlässigem Timing mit dem Aufkommen von KI-Computing, 5G-Netzwerken, Cloud-Rechenzentren und dem Internet der Dinge (IoT) stark gestiegen. Dieser Fortschritt unterstreicht die Bedeutung präzisen Timings in kritischen Netzwerkinfrastrukturen. Alle Knoten in einem Netzwerk müssen mit zunehmender Genauigkeit präzise synchronisiert werden, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu maximieren. So müssen 5G-Netzwerkknoten innerhalb von Hunderten von Nanosekunden synchronisiert werden, was zehnmal strenger ist als bei 4G-LTE-Netzwerken.

Das sind die Vorteile des MEMS-basierten Präzisions-Timings

Präzises Timing hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, um den Anforderungen zeitkritischer Hochgeschwindigkeitsnetze gerecht zu werden. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) haben sich hier als richtungsweisend erwiesen. MEMS-basiertes Präzisions-Timing gewinnt schnell an Bedeutung und leitet den Abschied von quarzbasiertem Timing ein. Quarzkristalle haben in der Elektronik jahrzehntelang gute Dienste geleistet – MEMS heben das Präzisions-Timing jedoch auf ein neues Niveau von Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.

MEMS-Resonatoren sind mechanische Miniatursysteme, die im Mikrometermaßstab hergestellt werden. Sie integrieren elektronische, mechanische und elektromechanische Elemente, um hochstabile und zuverlässige Timing-Komponenten zu schaffen, die mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen quarzbasierten Systemen bieten:

• Miniaturisierung: MEMS-Timing-Komponenten sind deutlich kleiner als ihre Quarz-Gegenstücke, was die Entwicklung kompakter, leichter elektronischer Geräte ohne Leistungseinbußen ermöglicht.
• Verbesserte Widerstandsfähigkeit: MEMS-Bauteile können extremen Umgebungsbedingungen wie Temperaturschwankungen, Luftströmungen, Stößen und Vibrationen standhalten und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die robuste Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit in schwierigen Umgebungen erfordern.
• Geringerer Stromverbrauch: MEMS-Bauteile sind energieeffizienter als Quarz-Alternativen, was zu einer längeren Batterielebensdauer in tragbaren und IoT-Geräten beiträgt. In unserer zunehmend funkbasierten und mobilen Welt ist der geringe Stromverbrauch von MEMS-basierten Timing-Lösungen ein großer Vorteil.
• Verbesserte Frequenzsteuerung: MEMS-basierte Oszillatoren bieten eine bessere Kontrolle über die Ausgangsfrequenz, was eine präzisere und stabilere Zeitmessung ermöglicht. Präzision ist entscheidend, um die Gesamtleistung und Synchronisation elektronischer Systeme zu verbessern.
• Kundenspezifische Anpassung: MEMS-Technik ermöglicht programmierbare Timing-Lösungen, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. MEMS-Timing-ICs lassen sich für 15 verschiedene Parameter programmieren, z. B. Frequenz, Betriebstemperaturbereich und Versorgungsspannung, während ein Quarz mit einer einzigen, festen Frequenz hergestellt wird. Mit dieser Anpassungsfähigkeit lassen sich MEMS-basierte Präzisionszeitgeber in zahlreichen Branchen und Anwendungen einsetzen.

Eine wichtige Kennzahl beim Präzisions-Timing ist die Frequenzstabilität, die sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit elektronischer Systeme auswirkt. Frequenzstabilität ist für Anwendungen wie GNSS/GPS, Radar, Luft-/Raumfahrt und Verteidigung, 5G-Netzwerke, Sicherheitssysteme in Fahrzeugen und der Finanztechnologie (Fintech) entscheidend. Echtzeitnetzwerke, die auf dem Precision Time Protocol (PTP) IEEE 1588 basieren, erfordern ebenfalls Präzisionszeitgeber, die sich durch eine hohe Frequenzstabilität auszeichnen.

Die Frequenzstabilität, die sich durch geringes Phasenrauschen und vernachlässigbare Drift über der Zeit auszeichnet, ist entscheidend für eine wichtige Timing-Funktion, die als Holdover (Halteperiode) bekannt ist. Ein synchronisiertes Netzwerk ist auf mehrere, redundante Zeitquellen angewiesen, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Eine dieser Timing-Quellen ist ein hochstabiler lokaler Oszillator (meist ein beheizter Oszillator; OCXO), der das Netzwerk „überbrückt“ und einen kontinuierlichen, nahtlosen Netzwerkbetrieb sicherstellt, wenn die vorgeschalteten Timing-Quellen gestört und vorübergehend nicht verfügbar sind. Die Länge der Holdover-Periode ist direkt proportional zur Stabilität des lokalen Oszillators, was die Bedeutung einer hochstabilen Präzisions-Timing-Lösung unterstreicht. Je stabiler der Oszillator ist, desto länger ist die Holdover-Periode, und desto länger kann das System arbeiten, bis die vorgelagerte Zeitreferenz (z. B. ein GPS-Signal) wiederhergestellt ist.

Systementwickler können die Frequenzstabilität verbessern und die Drift minimieren, indem sie sich für spezielle Timing-Bausteine wie OCXOs und temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXOs) entscheiden, die die negativen Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Frequenzstabilität minimieren. Hochpräzise OCXOs/TXCOs sind so konzipiert, dass sie bei schnellen Temperaturschwankungen stabilere Frequenzen erzeugen als herkömmliche Oszillatoren.

SiTime hat den Bedarf an mehr Stabilität und längeren Holdover-Zeiten in heutigen anspruchsvollen Elektronikanwendungen erkannt und mit der Entwicklung der Epoch-Plattform den Holdover-Oszillator neu definiert. Die Plattform bietet unter den üblichen Umgebungsbedingungen eine doppelt so lange Überbrückungszeit wie herkömmliche quarzbasierte Lösungen, so dass Anbieter von Telekommunikations- und Cloud-Diensten die Servicekontinuität unter realen Bedingungen gewährleisten können.

Im Gegensatz zu Epoch sind herkömmliche Quarz-OCXOs von Natur aus unzuverlässig und neigen zu Leistungseinbußen bei Umgebungseinflüssen wie Temperaturschwankungen und Vibrationen. Bislang sind OCXO-Anbieter Kompromisse in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Größe, Stromverbrauch und Aufwärmzeit eingegangen, um die einzige Eigenschaft zu erreichen, für die die meisten OCXOs ausgelegt sind – eine stabile Taktreferenz.

Epoch überwindet die Einschränkungen von Quarz-OCXOs durch zwei MEMS-Resonatoren, die mit dem DualMEMS-Temperatursensor von SiTime eine thermische Kopplung eingehen. Dies gewährleistet eine 40-mal schnellere Temperaturverfolgung – ein wesentliches Timing-Leistungsmerkmal, insbesondere unter Bedingungen mit schwankendem Luftstrom und schnellen Temperaturänderungen. Darüber hinaus ist der TempFlat-MEMS von SiTime im Vergleich zu herkömmlichen Quarzresonatoren zehnmal widerstandsfähiger gegen Temperaturschwankungen, während Aktivitätseinbrüche vermieden werden. Der kleine MEMS-Resonator mit seiner geringen Masse mildert die Auswirkungen von g-Kräften ab, was zu einer 30-mal besseren Vibrationsfestigkeit als Quarz führt. Die Kombination von MEMS mit der Analogtechnik von SiTime führt zu einer hohen dynamischen Stabilität, niedrigem Phasenrauschen und einem breiten Frequenzbereich.

OCXOs der Epoch-Plattform ermöglichen zwölf Stunden Holdover, unterstützen jede Frequenz zwischen 10 und 220 MHz, sind mit einer Genauigkeit von bis zu sechs Dezimalstellen programmierbar und bieten digitale Steuerung mit I2C- und SPI-Schnittstellen für mehr Flexibilität. Die MEMS-basierten OCXOs sind stromsparend ausgelegt und verbrauchen nur 420 mW Leistung, dreimal weniger als Quarzbausteine. Die kleine Grundfläche der Epoch-Plattform (9 mm × 7 mm × 3,73 mm) nimmt neunmal weniger Fläche ein und ist dreimal dünner als vergleichbare quarzbasierte Timing-Lösungen, was den Hardwareentwicklern mehr Freiheit bietet.

Epoch von SiTime gewährleistet in kritischen Netzwerkinfrastrukturen eine Genauigkeit im ns-Bereich. Mit ihrer hohen Stabilität und Zuverlässigkeit, längeren Holdover-Zeit und ihrem geringen Stromverbrauch ist die Plattform in der Lage, den Markt für präzises Timing zu revolutionieren und wird damit zu einer unverzichtbaren Technik für intelligente, vernetzte Elektronik von heute. (na)