Die Frequenzstabilität ist die grundlegendste Leistungsspezifikation eines Oszillators. Sie stellt die Abweichung der Ausgangsfrequenz dar und wird normalerweise in Teilen pro Million (ppm) oder Teilen pro Milliarde (ppb) ausgedrückt. Eine kleinere Stabilitätszahl bedeutet eine bessere Leistung. Eine Frequenzänderung kann durch verschiedene Bedingungen wie Temperaturschwankungen, Schwankungen der Versorgungsspannung, Schwankungen der Ausgangslast und Frequenzalterung verursacht werden. In diesem Blog konzentrieren wir uns auf die Alterung, die Veränderung der Oszillatorfrequenz über einen bestimmten Zeitraum.
Warum ist eine geringe Alterung wichtig?
Alterung ist ein wichtiger Parameter und muss in vielen Anwendungen beim Systemdesign berücksichtigt werden. Dies ist besonders wichtig in Systemen, die eine sehr stabile Frequenzreferenz erfordern – Systeme, die Präzisionsoszillatoren wie TCXOs (temperaturkompensierte Oszillatoren) und OCXOs (ofengesteuerte Oszillatoren) verwenden.
Präzisionsoszillatoren werden beispielsweise häufig in Netzwerkinfrastrukturen und hochpräzisen Messgeräten verwendet, um eine stabile Backup-Frequenzquelle bereitzustellen. In diesen Anwendungen dient ein OCXO (und in einigen Fällen ein TCXO) als lokale Uhr im Falle eines Verlusts an eine externe Quelle wie GPS. Holdover ist der Betriebsmodus, bei dem Systeme vorübergehend die Verbindung zum externen Referenzsignal verlieren und auf eine lokale Quelle umschalten. In diesem Fall muss der lokale Oszillator, der OCXO oder TCXO, von Stunden bis Tagen extrem stabil bleiben, was die Alterung zu einem kritischen Faktor macht.
Weitere Informationen zur Frequenzalterungstheorie finden Sie in unserem Whitepaper „Alterung in OCXO und TCXO“ . Die Diskussion beginnt mit einem tieferen Einblick in die kritischen Faktoren, die die Alterung von Oszillatoren auf Quarz- und MEMS-Basis beeinflussen. Anschließend wird ein mathematisches Alterungsmodell verwendet, um die vorhergesagte langfristige Alterungsleistung zwischen MEMS und Quarzoszillatoren mit tatsächlichen Alterungsmessergebnissen zu vergleichen. Durch eine Extrapolation des mathematischen Alterungsmodells werden langfristige Leistungsvorhersagen getroffen. Es werden Empfehlungen für zukünftige Arbeiten vorgestellt und ein Alterungskompensationsalgorithmus zur Verbesserung der Alterungseigenschaften vorgeschlagen.
Was verursacht die Alterung des Oszillators?
Alterung wird durch interne Veränderungen im Oszillator verursacht. Es gibt zwei Hauptgründe für das Altern. Ein Grund ist die Massenbelastung und der andere der Stressabbau. Die Hauptursache für die Alterung von Quarzoszillatoren ist in erster Linie auf den Herstellungsprozess, das strukturelle Design und die Verwendung verschiedener Materialien im Gerät zurückzuführen. Bei der Herstellung von Quarzresonatoren treten Eigenspannungen wie Oberflächenrisse, Polierabrieb während der Verarbeitung und Bindungskräfte zwischen Quarz und Elektrodenfilm auf. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Materialien verursachen Spannungen an der Grenzfläche. Darüber hinaus zersetzt sich der in Quarzoszillatoren verwendete Siliziumkleber bei Hitze und führt zu Massenansammlungen.
Oszillatoren auf Quarzbasis verwenden Materialien, die sie aufgrund von Verunreinigungen und Spannungsabbau in der Struktur anfällig für Alterung machen.
Im Gegensatz dazu verwenden MEMS-Resonatoren stabile Siliziummaterialien ohne Ausgasungseigenschaften. Beim Herstellungsprozess von SiTime-Silizium-MEMS-Resonatoren entstehen keine Verunreinigungen, wie sie beim Würfelsägen oder Polieren von Quarzresonatoren entstehen. Der proprietäre EpiSeal®-Prozess von SiTime bildet ultrareine MEMS-Resonatoren, die bei einer hohen Temperatur von mehr als 1000 °C in Silizium/Polysilizium im Wafermaßstab eingekapselt werden. Die innere Eigenspannung wird durch Atome abgebaut, die durch ein Kristallgitter wandern. Dadurch entsteht eine saubere Vakuumumgebung, in die keine Verunreinigungen eindringen können. Der Endeffekt sind Resonatoren mit extrem geringer Alterung.
Querschnitt eines SiTime MEMS-Resonators, der mit Prozessen und Materialien hergestellt wurde, die im Langzeitbetrieb sauber und stabil bleiben.
MEMS- und Quarzalterungsleistung
Der Unterschied in der Alterung zwischen MEMS- und Quarzoszillatoren wird in der folgenden Darstellung veranschaulicht. Dieses Diagramm zeigt 30-Tage-Alterungsmessdaten, normalisiert auf den ersten Tag, für einen MEMS-basierten Super-TCXO® (Elite X™ SiT5501) und einen quarzbasierten miniaturisierten OCXO, beides Stratum 3E-Level-Oszillatoren. Sowohl der Quarz-OCXO als auch der SiT5501 weisen beim Einschalten eine positive Alterung auf. Mit der Zeit wird jedoch der negative Alterungsfaktor der meisten Quarz-OCXO-Prüflinge größer als der positive Alterungsfaktor und nimmt eine negative Steigung an, die zunehmend abnimmt.
Umgekehrt stabilisiert sich der SiT5501 schnell und der Offset beträgt weniger als 20 ppb bei 30 Betriebstagen. Darüber hinaus ist die Alterungsgeschwindigkeitsvariabilität zwischen der Gruppe der Quarz-OCXOs aufgrund der Einschränkungen des Quarzbearbeitungsprozesses deutlich größer als beim SiT5501, was zu einem weiteren Faktor für potenzielle Ausfälle wird. Im Allgemeinen wird die Spezifikation der Alterungsrate nach 30 Betriebstagen festgelegt.
Frequenzabweichung des MEMS-basierten SiT5501 Elite X Super-TCXO (rot)
vs. miniaturisierter Quarz OCXO (blau)
Altern ist ein unvermeidlicher und irreversibler Prozess. Allerdings kann die Frequenzalterungsabweichung verringert werden, indem man die Vorteile der Silizium-MEMS-Herstellungsprozesse nutzt, die gekapselte Siliziumresonatoren herstellen, die keine Kompromisse eingehen dürfen.
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Vielen Dank an Johnson Hsu, Kundeningenieur bei SiTime, für seine Beiträge zu diesem Artikel.
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