Bleiben Sie cool, wenn es heiß hergeht – und arbeiten Sie über Grenzen hinaus

Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einer abgelegenen Gegend mit nur einem Mobilfunkmast und müssen einen Notruf absetzen, wenn die drahtlose Infrastruktur ausfällt! Der Fehler kann durch Synchronisations- und Timing-Probleme verursacht werden, da bei jeder neuen Generation der drahtlosen Kommunikation ein größerer Druck auf die Timing-Anforderungen ausgeübt wird.

Wenn präzise Stabilität erforderlich ist – wie es bei drahtlosen Infrastrukturgeräten der Fall ist – greifen Entwickler häufig auf TCXOs (temperaturkompensierte Oszillatoren*) und OCXOs (ofengesteuerte Oszillatoren**) zurück. Diese Oszillatoren sind so konzipiert, dass sie bei Temperaturänderungen eine bessere Frequenzstabilität bieten. Hohe Hitze und Temperaturschwankungen sind einige der Hauptursachen für die Instabilität von Oszillatoren. Dennoch sind TCXOs und OCXOs bei Nennbetriebstemperaturen über +85 °C, die allgemein als der obere Bereich für industrielle Anwendungen angesehen werden, schwer zu finden.

85 °C mögen hoch erscheinen, aber in den heutigen dichteren Betriebsumgebungen kann die Umgebungstemperatur in Systemgehäusen schnell ansteigen. Telekommunikations- und Netzwerkgeräte werden beispielsweise in Umgebungen mit hoher Hitze betrieben. Viele dieser Systeme verwenden eine aktive Kühlung – am beliebtesten sind bürstenlose Gleichstromlüfter –, um die Temperaturen innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs zu halten.

Dennoch sind diese Kühlventilatoren, deren MTBF im Vergleich zu elektronischen Komponenten im Hostsystem geringer ist, nicht ausfallsicher und können aus verschiedenen Gründen versagen. Aufgrund dieses Risikos ist es wichtig zu wissen, wie sich kritische Komponenten, wie z. B. Oszillatoren, die den Herzschlag des Systems liefern, unter Fehlerbedingungen verhalten könnten.

Die Grenzen ausreizen

Zu diesem Zweck haben wir die Grenzen verschiedener Oszillatoren erweitert und die Stabilität über den Nennbetriebsbereich hinaus gemessen. Wir haben TCXO-Geräte getestet , die für +85 ° C ausgelegt sind, und sie auf +125 ° C erhöht, und OCXOs, die für +85 ° C ausgelegt sind, bis zu +105 ° C. Die folgenden Diagramme zeigen den daraus resultierenden Leistungsabfall bei diesen höheren Temperaturen . In jedem Test vergleichen wir einen SiTime MEMS-Oszillator (dargestellt mit der grünen Linie) mit Quarzoszillatoren verschiedener Anbieter, alle innerhalb derselben Klasse und mit derselben Temperaturbewertung. Um den Vergleich zu erleichtern, werden die Werte der einzelnen Geräte auf ihre Frequenz bei +85 ° C bezogen, beginnend am gleichen Punkt.

Die obige Abbildung zeigt die Frequenzstabilität von +85 ° C bis +125 ° C von fünf industrietauglichen TCXO-Geräten. Der MEMS-basierte SiT5356 Elite Platform™ Super-TCXO weist eine geringe Verschlechterung auf. Im Gegensatz dazu verschlechtert sich die Stabilität der Quarz-TCXOs bis in den Zehntausend-ppb-Bereich.

Da der Frequenzversatz bei den Quarzoszillatoren so extrem ist, zeigen wir oben auf der vertikalen y-Achse einen sehr großen Versatzbereich. In der Abbildung unten haben wir den gleichen Test vergrößert, jedoch mit einem anderen Maßstab auf der Y-Achse, um besser zu zeigen, wie sich die Stabilität der quarzbasierten Geräte knapp außerhalb des Nenntemperaturbereichs schnell verschlechtert.

Die Frequenzstabilität, gemessen durch den Offset in ppb (Teile pro Milliarde), wie oben gezeigt, ist eine entscheidende Leistungsspezifikation für Oszillatoren. Eine weitere wichtige Kennzahl für Präzisionsoszillatoren ist die Frequenz-Temperatur-Steigung (ΔF/ΔT). In Systemen, die eine Zeit- und Frequenzübertragung mithilfe von IEEE 1588 erfordern, trägt ein besseres ΔF/ΔT zur Verbesserung des Zeitfehlers bei.

Die folgende Abbildung zeigt die Steigung ( ΔF/ΔT) von +85 ° C bis +125 ° C für die gleichen fünf industrietauglichen TCXO-Geräte. Auch hier beziehen sich die Werte auf den Frequenzoffset bei +85 ° C. Auch hier nimmt die Stabilität der quarzbasierten Geräte knapp außerhalb der Nenntemperatur rapide ab. Die Frequenzänderungsrate steigt von 10 ppb/ ° C zwischen +85 ° C und +95 ° C auf fast 3000 ppb/ ° C bei +125 ° C. Im Gegensatz dazu zeigt das MEMS-basierte SiT5356 eine Steigung von besser als 2 ppb/ ° C bis +105 ° C und steigt auf nur noch 8 ppb/ ° C bei +125 ° C. Die gesamte Frequenzänderung von +85 ° C auf 125 ° C beträgt nur 50 ppb.

Beim Testen von OCXO-Geräten sehen wir ein ähnliches Verhalten, wie im folgenden Diagramm dargestellt. Hier vergleichen wir die Leistung von vier industrietauglichen OCXO-Geräten von +85 ° C bis +125 ° C. Die Stabilität quarzbasierter Geräte beginnt sich zu verschlechtern, sobald die Temperatur den Nenntemperaturbereich überschreitet, während die Stabilität des MEMS-basierten SiT5711 Emerald Platform™ OCXO sorgt für Stabilität.

Nachfolgend zeigen wir Δ F/ Δ T derselben vier industrietauglichen OCXO-Geräte von +85 ° C bis +125 ° C. Die Frequenzsteilheit der Quarzgeräte verringert sich auf bis zu 30 ppb/ ° C. Im Gegensatz dazu ist das MEMS- Das auf SiT5711 OCXO basierende Material behält die Nennstabilität bis +105 ° C mit einer Steigung von weniger als 0,5 ppb/ ° C bei.

Auswirkungen auf das System

TCXOs und OCXOs werden in Anwendungen wie Mobilfunkbasisstationen verwendet, bei denen eine hochstabile Frequenzreferenz erforderlich ist. Angesichts der Möglichkeit von Fehlfunktionen des Kühlsystems ist es wichtig, über eine Zeitsteuerungslösung zu verfügen, die hohen Temperaturen standhält und die Systemfunktionalität während solcher Ereignisse aufrechterhält. Neben dauerhaften Fehlerbedingungen kann der erweiterte Temperaturbetrieb von OCXOs und TCXOs Systeme ermöglichen, die wesentlich robuster und zuverlässiger sind oder überhaupt keine Kühlventilatoren erfordern.

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber großer Hitze und anderen schwierigen Bedingungen wird in Kommunikationssystemen der nächsten Generation immer wichtiger, da die 5G-Infrastruktur an dichteren und weniger kontrollierten Standorten eingesetzt wird. Mit Oszillatoren, die auch bei großer Hitze „kühl“ bleiben, bietet die Timing-Technologie von SiTime die Robustheit, die für Geräte erforderlich ist, die in rauen Umgebungen installiert sind.

Laden Sie den Anwendungshinweis AN10063 TCXO- und OCXO-Stabilitätsdegradation herunter, um weitere Details zu erhalten, einschließlich vergrößerter Ansichten der einzelnen Diagramme oben, zusätzlicher Diagramme mit kommerziellen TCXOs in Temperaturqualität und umfangreicheren Stichprobensätzen mit Variationsdaten von Gerät zu Gerät.

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Vielen Dank an Anton Prygrodskyi, Softwareentwickler bei SiTime, für seine Beiträge zu diesem Artikel.

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* Ein TCXO ist ein Oszillator mit Temperaturkompensation, um die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Resonators zu kompensieren. Durch diese Kompensation erreichen TCXOs eine bessere Frequenzstabilität als nicht kompensierte Oszillatoren. Die Frequenzstabilität von TCXOs reicht von ±0,05 ppm bis ±5 ppm. Diese Geräte werden in Anwendungen eingesetzt, in denen präzise Timing-Referenzen erforderlich sind, beispielsweise in Hochleistungs-Telekommunikations- und Netzwerkgeräten.

** Ein OCXO sorgt für Temperaturkompensation und Ofenheizung, um eine nahezu konstante Temperatur für den Oszillator aufrechtzuerhalten, wenn die Umgebungstemperatur schwankt. Diese Geräte umschließen den Resonator zusammen mit Temperaturerfassungs- und Kompensationsschaltungen in einem beheizten Gehäuse. Durch diese Temperaturkompensation und Ofenbehandlung erreicht der OCXO eine sehr gute Frequenzstabilität im Bereich von 0,05 ppb bis 200 ppb.