Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
Quarze und Oszillatoren
Quarze und Oszillatoren Bild 6: Vergleich der Stromaufnahme von MEMS- und Quarz-Oszillatoren bei 40 MHz Bild 7: Vergleich der Start-Up-Charakteristik von MEMS- und Quarzoszillatoren bei 40 MHz tige Taktreferenzen mit simpler Schaltung, wohingegen MEMS- Oszillatoren weitaus komplexer aufgebaut sind. Sie bestehen aus einem MEMS-Resonator, einer PLL zur Frequenzteilung und einem Temperaturkompensations-Netzwerk. Darüber hinaus ist eine werksseitige Kalibrierung zwingend erforderlich, um die korrekte Funktion zu gewährleisten. Quarz- und MEMS-Oszillator im direkten Vergleich Das US-amerikanische Unternehmen ECS International hat quarzbasierte Oszillatoren und MEMS-basierte Oszillatoren getestet und vermessen. Verglichen wurden dabei die Parameter, die für das Design von Kommunikations-, Netzwerk-, Industrie- und Konsumelektronik von entscheidender Bedeutung sind: 1) Leistungsaufnahme Wie viel Strom wird aufgenommen? 2) Start-Up-Verhalten des Oszillators Wie schnell startet der Oszillator nach dem Anlegen einer Spannung? 3) Jitter und Phasenrauschen Wie ist das Rauschverhalten, welches gerade bei Kommunikationsgeräten ein kritischer Faktor ist? 4) Frequenzstabilität Wie stabil ist die Frequenz bei konstant 25°C? 5) Frequenzverhalten über den Arbeitstemperaturbereich Wie stabil ist die Frequenz in Bezug auf Temperaturveränderungen? 6) Vibrationsempfindlichkeit Wie stabil ist die Frequenz unter rauen Bedingungen? 7) Zuverlässigkeit Wann fällt der Taktgeber aus? Mean time between failure (= MTBF, mittlere Zeit zwischen den Ausfällen) Zur Leistungsaufnahme Quarzbasierte Oszillatoren nehmen grundsätzlich einen viel geringeren Strom auf, da sie den Vorteil einer Grund- oder Oberschwingung und einer einfachen Schaltungsstruktur haben. MEMS-basierte Oszillatoren benötigen im Gegensatz dazu mehr Strom, weil sie mehr Schaltungsaufwand betreiben und die PLL und der LCVCO die Gesamtstromaufnahme deutlich erhöhen. Infolgedessen liegt die Stromaufnahme des MEMS- Oszillators bei 6,09 mA, während der Standard-Quarzoszillator nur auf etwa 3,16 mA kommt. Das bedeutet, dass ein MEMS in etwa doppelt so viel Strom benötigt, um auch nur vergleichbare Jitter- und Phasenrauschwerte zu erreichen wie der quarzbasierte Oszillator (Bild 6). Anlaufverhalten des Oszillators Vergleicht man die Stabilität der Oszillatoren beim Einschalten, sieht man, dass der Quarzoszillator, sobald die Stromversorgung da ist, eine Genauigkeit von 1 ppm erreicht, während der MEMS-Oszillator darum kämpft, eine Genauigkeit von 2 ppm zu erreichen. Nach dem Einschalten ist der Quarzoszillator sofort stabil, wohingegen der MEMS-Oszillator während der Stabilisierungsphase der PLL und der LVCO Frequenzerschütterungen aufzeigt (Bild 7). Bild 8. Gemessene Jitter- und Phasenrauschwerte von MEMS- (rechts) und Quarz-Oszillatoren (links) 22 hf-praxis 4/2021
