4-2019

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren MEMS-Oszillatoren erobern den Markt der OCXOs OCXOs (Oven- Controlled Oscillators) erreichen den Gipfel der Timing- Performance. Nur wenige Hersteller können Stabilität auf OCXO-Level (ca. ±50ppb oder besser) bieten. Da OCXOs Stratum-3E-Level an Timing-Stabilität erreichen, werden sie in Kommunikationsnetzwerken mit hohem Durchsatz eingesetzt, die mit jeder neuen Generation eine noch striktere Performance erfordern. Bild 1: SiTime Emelrald Zukünftig werden OCXOs für das aufkommende 5G und die IEEE-1588-Synchronisationsapplikationen, die einsatzkritische Dienste, wie autonomes Fahren unterstützen, essentiell sein. Wie erreichen OXCOs diese Stabilität? Diese Hochpräzisionsoszillatoren sind dazu konzipiert, trotz Temperaturänderungen – einem der Hauptgründe für Frequenzdrifts – eine Frequenz aufrechtzuerhalten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Resonator zusammen mit einem temperaturkompensierenden Schaltkreis und einem Heizelement im Gehäuse verbaut wird. Doch obwohl diese „ofenbetriebenen“ Bauteile entwickelt werden, um die interne Temperatur konstant zu halten, sind OCXOs traditionell trotzdem anfällig für Schwankungen in der Umgebungstemperatur, speziell, wenn die Temperatur sich schnell verändert. Aus diesem Grund müssen Designer wohlüberlegte Entscheidungen treffen, wo auf dem Board sie den Oszillator platzieren. OXCOs werden oft in einer Ecke platziert – fern von Lüftern, die durch Luftströme Temperaturschocks verursachen können und auch fern vom Hauptprozessor, der in signifikantem Maße Hitze entwickeln kann. Doch den Oszillator von dem Chip, den er taktet, fernzuhalten, bringt andere Schwierigkeiten mit sich, wie erhöhte Routing-Komplexität oder mögliche Probleme mit der Signalintegrität. Manche Applikation erfordert es, das Layout mehrmals zu überarbeiten, nur um herauszufinden, wo der OCXO platziert werde soll. Timing ist ein entscheidender Faktor und potenziell eine der größten Herausforderungen in 5G-Systemen. Durch die höheren Datenraten wird eine sehr viel präzisere Synchronisation der Funkanlagen gefordert, womit die Ansprüche an Autor: Axel Gensler Senior Product Manager RF Components, Quartz Crystal Oscillators, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH Bild 2: MEMS-Elite-TCXO versus Quarz-TCXO bei schnellen Temperaturänderungen 18 hf-praxis 4/2019

Quarze und Oszillatoren Bild 3: EMS-Elite-TCXO versus Quarz-TCXO unter Luftstrom Genauigkeit der Taktgeber steigen. Diese Vorgaben können oft nur durch OCXOs erfüllt werden. Diese haben Toleranzen im Bereich von ±5ppb. Salopp gesagt, wird ein kleiner Ofen um den Quarz herum gebaut, um die Temperatur zu kontrollieren und ihn damit von der äußeren Umgebung zu entkoppeln, womit die Frequenzdrift durch Temperaturschwankungen weitgehend aus der Driftberechnung eliminiert wird. Quarzoszillatoren wurden - trotz einiger Nachteile - mangels Alternativen eingesetzt. Es ist nicht trivial, eine konsistente, enge Timing-Performance stabil über Temperaturänderungen oder bei Vibrationen zu erzielen. Die bisherigen Taktgeber sind teuer, sperrig und benötigen oft eine lange Einlaufzeit, bevor sie loslegen können. Für den zuverlässigen Betrieb gilt es, beim Design besondere Vorkehrungen zu treffen, um Temperatursprünge zu vermeiden. Der OCXO sollte weitgehend thermisch isoliert werden, was die Anordnung des Bauteils auf der Leiterplatte beschränken kann, oder zusätzliche mechanische Isolierungsmaßnahmen erfordert. Die Applikationen, insbesondere Mobilphon-Verteilerstationen, werden zunehmend an exponierten Stellen angebracht, wo Wind, Wetter, Feuchtigkeit sowie Vibrationen wirken. Quarzoszillatoren sind anfällig gegenüber schnellen Temperaturänderungen und Vibration, was zur Unterbrechung der Kommunikation führen kann. Diese Änderung der Betriebsumgebung erfordert ein neues Denken und eine Neubewertung der Vorteile von MEMS gegenüber der Quarztechnologien für das Timing. In vielen Fällen ist der quarzbasierende OXCO zur thermischen Isolation mit einer speziellen, mechanischen Schirmung bedeckt. Diese „Schilde“ sind jedoch in der Regel keine Stangenware und nur wenige Anbieter designen und produzie- Fachbücher für die Praxis Digitale Oszilloskope Der Weg zum professionellen Messen Joachim Müller Format 21 x 28 cm, Broschur, 388 Seiten, ISBN 978-3-88976-168-2 beam-Verlag 2017, 47,90 € Ein Blick in den Inhalt zeigt, in welcher Breite das Thema behandelt wird: • Verbindung zum Messobjekt über passive und aktive Messköpfe • Das Vertikalsystem – Frontend und Analog-Digital-Converter • Das Horizontalsystem – Sampling und Akquisition • Trigger-System • Frequenzanalyse-Funktion – FFT • Praxis-Demonstationen: Untersuchung von Taktsignalen, Demonstration Aliasing, Einfluss der Tastkopfimpedanz • Einstellungen der Dezimation, Rekonstruktion, Interpolation • Die „Sünden“ beim Masseanschluss • EMV-Messung an einem Schaltnetzteil • Messung der Kanalleistung Weitere Themen für die praktischen Anwendungs-Demos sind u.a.: Abgleich passiver Tastköpfe, Demonstration der Blindzeit, Demonstration FFT, Ratgeber Spektrumdarstellung, Dezimation, Interpolation, Samplerate, Ratgeber: Gekonnt triggern. Im Anhang des Werks findet sich eine umfassende Zusammenstellung der verwendeten Formeln und Diagramme. Unser gesamtes Buchprogramm finden Sie unter www.beam-verlag.de oder bestellen Sie über info@beam-verlag.de hf-praxis 4/2019 19