Heutige Netzwerkanwendungen entwickeln sich laufend weiter. Kommunikationsprotokolle für das Internet der Dinge (IoT) übertragen mehr Daten als bisher. Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) streben immer höhere Genauigkeiten an, um die exakte Position bei selbstfahrenden Autos ermitteln zu können. Mit Hilfe kleiner Femtozellen und kleinen Basisstationen weitet sich die Netzwerk-Kommunikation aus, um höhere Datenraten und geringere Paketverluste zu
erreichen.
Taktgeber innerhalb dieser Systeme entwickeln sich ebenfalls weiter. Um mehr Daten übertragen zu können, ist eine höhere Frequenzstabilität erforderlich. Für den Einsatz unter widrigen Bedingungen wird der Ruf nach größeren Temperaturbereichen lauter. Außerdem sollen die Geräteabmessungen kleiner werden, bei gleichzeitig mehr Funktionalitäten. Die Technologie der Taktgeber muss diesen Anforderungen gerecht werden.
Nachteile der Quarzkristalltechnologie
Für Taktgeber waren Quarze bisher die erste Wahl. Ihre Vorteile bestehen darin, dass sie sich einfach verarbeiten und verkleinern (Downsizing) lassen und sehr kosteneffizient sind. Das Hauptargument für diese Technologie ist jedoch ihre Stabilität, weshalb sie beinahe ein Jahrhundert lang unangefochten an der Spitze stand.
Heutzutage werden bei GNSS-Anwendungen temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXOs) mit einer Frequenztoleranz von +/-0,5 ppm (parts per million) eingesetzt, um die exakte Position zu ermitteln. TCXOs beziehungsweise OCXOs (beheizte Quarzoszillatoren) mit einer Frequenztoleranz von +/-0,1 ppm werden in Pico- oder Femtozellen verwendet, um Call-Drops oder Leitungsverluste zu vermeiden.
Ein signifikanter Nachteil der Quarze ist die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Um die Frequenz langfristig stabil zu halten, müssen sie hermetisch abgeschirmt werden. Die Alterung von Quarzprodukten ist hauptsächlich auf den Austritt des Gases im Gehäuses zurückzuführen. Quarzblanks sind zudem mechanisch empfindlich. Die Härte des Quarzes beträgt zwar 7 auf der Mohs-Skala, was einer höheren Härte als Eisen entspricht, die Stärke des Blanks fällt mit lediglich
0,1 mm jedoch dünn aus.
Prinzipiell sind die derzeit erhältlichen Quarzprodukte robust genug, um ihren Einsatz unter widrigen Bedingungen zu rechtfertigen. Frequenztoleranzen von TCXOs liegen bei bis zu ±0,5 ppm bei -40 bis 105 °C. Das Problem bei den quarzbasierenden Produkten besteht jedoch darin, dass sie selbst durch kleine Erschütterungen, Schwingungen, Spannungsschwankungen oder Luftströme beeinträchtigt werden können. Zwar mögen diese Nachteile heute noch vertretbar sein, es ist aber unklar, wie Quarze mit den Netzwerkanwendungen der Zukunft zurecht kommen werden.
MEMS-Oszillatoren mit dualer Architektur
Als neue Technologie scheinen sich MEMS-Oszillatoren (mikroelektromechanische Systeme) durchzusetzen. Während ein gewöhnlicher CMOS-Quarzoszillator (SPXO) eine Frequenzstabilität von ±50 ppm aufweist, erreicht ein MEMS-Oszillator bereits ±10 ppm bei einem größeren Frequenz- und Temperaturbereich. Ebenfalls zu betonen ist die Robustheit der MEMS-Oszillatoren. Diese enthalten einen Resonator aus mehrschichtigem Silizium. Die Resonanz entsteht innerhalb dieser Schichten, sodass der MEMS-Resonator selbst nicht hermetisch abgeschirmt sein muss.
Nun hat KDS, ein Hersteller von hochwertigen Quarzen und Oszillatoren, eine neue MEMS-Struktur entwickelt, die eine noch höhere Leistung aufweist. Die neue Struktur verwendet eine duale MEMS-Technologie, das bedeutet, sie enthält zwei Resonatoren. Bei dem einen handelt es sich um einen neuen MEMS-Resonator, der widerstandsfähiger gegenüber sowohl Schwingungen als auch Erschütterungen als Quarz ist. Der andere Resonator erfasst die Temperatur, wodurch eine bessere und schnellere Kompensation sichergestellt ist. Darüber hinaus ist die PLL-Schaltung auch gegen Netzteil-Rauschen resistent und besitzt nur einen sehr geringen Phasenjitter von 0,23 ps.
Präzisions-Super-TCMO für Drahtlosanwendungen: Heute nutzen IEEE1588-Uhren oder synchrones Ethernet OCXOs beziehungsweise hochstabile TCXOs, um die Anforderungen an die Frequenzstabilität des Standards Stratum 3 zu erfüllen. Eine Uhr nach Stratum 3 hat eine Freilaufstabilität von ±4,6 ppm über 20 Jahre und eine Hold-over-Stabilität von ±0,37 ppm über 24 Stunden, beides inklusive Frequenzfehler und unter sämtlichen Bedingungen. OCXOs haben jedoch eine hohe Leistungsaufnahme von etwa 1 W und eine Gehäusegröße von 9 mm x 6 mm. Letzteres aufgrund der Tatsache, dass der Ofen im Inneren des OCXO zum Einhalten der angemessenen Temperatur für den SC-Schnitt der Quarzblanks ein größeres Gehäuse benötigt.
Im Gegensatz zu diesen Nachteilen haben Precision Super-TCMOs einen um 70 Porzent geringeren Stromverbrauch und kleinere Gehäusegrößen von nur 6 mm x 4,9 mm bei einer Frequenzstabilität von ±0,1 ppm. Was die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen betrifft, so liefern Precision Super-TCMOs eine stabilere Performance als TCXOs, die zu Call-Drops und Datenleitungsverlusten bei kleinen Zellen neigen. Daher werden diese TCMOs bei Stratum 3 zunehmend andere Lösungen verdrängen.
Super-TCMOs für GNSS: Ein weiterer Super-TCMO verfügt über eine Frequenztoleranz von ±0,5 ppm. Dieser Super-TCMO wird in industriellen und automobilen GNSS-Anwendungen Einsatz finden, die derzeit TCXOs mit einer Frequenzstabilität von ±0,5 ppm bei einem Temperaturbereich von -40 bis 105 °C als Taktquelle nutzen.
GNSS ist jene Anwendung, die nach Stabilität gegenüber jeder Art von kleinen Umwelteinflüssen wie etwa Luftstrom, Schwingungen, plötzliche Temperaturveränderungen oder Spannungsschwankungen verlangt. TCXOs sind sehr empfindlich gegenüber solchen Einflüssen und neigen zu kleinen Frequenzsprüngen, die zum Verlust der Positionierungsdatenpakete führen. Das ist auf die Architektur von TCXOs zurückzuführen, in der die Blanks vom IC, der die Temperatur ermittelt und die Frequenzstabilität kompensiert, getrennt sind. Diese Super-TCMOs sind gerade in diesem Bereich sehr stark. Der Resonator selbst ist robust, und die duale MEMS-Architektur kann die exakte Temperatur des Resonators ermitteln, sodass es zu keinen Schwächen gegenüber externen Einflüssen kommt. Sind die Positionierungsdaten einmal ermittelt, gehen sie nie verloren.
Jitterarme differenzielle Oszillatoren für 10G-, 40G- und 100G-Netzwerke: Die neue KDS-Bauweise weist zudem ex-
trem jitterarme differenzielle Oszillatoren auf. Diese differenziellen Oszillatoren wurden für den Hochgeschwindigkeits-Datenverkehr wie 10G-, 40G- und 100G-Ethernet konzipiert, der nach Frequenzen über 100 MHz verlangt. Diese Anwendung erfordert einen differenziellen Output, bei dem Signale, die exakt entgegengesetzte Phase aufweisen, um Gleichtakt-Störspannung zu vermeiden und eine hohe Systemperformance zu gewährleisten.
Die anderen Spezifikationen deuten ebenfalls darauf hin, dass diese jitterarmen Oszillatoren eine gleiche beziehungsweise höhere Leistung liefern als Quarzlösungen. Etwa bei der Frequenzstabilität, wo quarzbasierte differenzielle Oszillatoren bestenfalls ±20 ppm erreichen, während diese MEMS-Oszillatoren dank der neuen Struktur bis zu ±10 ppm schaffen. Eine jitterarme Performance von 0,1 ps bis zu 0,3 ps wird ebenfalls erreicht. Weiter zeigen diese Oszillatoren einen geringeren PSNR-Wert (Signal-Rausch-Verhältnis) von 0,02 ps/mV, was Linearregler (LDOs) überflüssig macht.
Differenzielle VCMOs (Voltage Controlled MEMS Oscillator) für Funksysteme: Diese differenziellen VCMOs für hohe Umgebungstemperaturen und Zuverlässigkeit wurden für Wireless Repeater, CMTS (Cable Modem Temination Systems) und Rundfunksysteme konzipiert. Die Ausgangsfrequenz quarzbasierter VCXOs kann typischerweise um
±50 ppm auf ±200 ppm erhöht werden. Die Pull-Range-Linearität von quarzbasierten VCXOs bewegt sich üblicherweise zwischen 5 und 10 Prozent. MEMS-VCXOs unterstützen einen größeren Pull-Range-Bereich von ±25 ppm bis ±3600 ppm und ihre Pull-Range-Linearität beträgt lediglich 0,1 Prozent. Dadurch wird die Implementierung einer Synchronisationsschleife erleichtert.
Neue Technologie für Taktgeber
Noch stellen die MEMS-Oszillatoren eine brandneue Technologie für Taktgeber dar. Mit der Quarztechnologie wurde schon langjährige Erfahrung gesammelt und sie wird noch eine Zeit lang als primäre Taktquelle dienen. Wie sich aber bereits jetzt abzeichnet, wird die bessere Leistung der MEMS-Oszillatoren der Quarztechnologie über kurz oder lang das Fürchten lernen. Der Wendepunkt könnte sogar schneller kommen, als gedacht.
