Kleine SMD-OCXOs für Femtocell-Base-Stations sind ein Trend Quarzoszillatoren: Verbessertes Phasenrauschen, geringere G-Sensitivity

Harald Rudolph, KVG: »Das Phasenrauschen eines Quarzoszillators ist für viele Anwendungen das entscheidende Qualitätsmerkmal.«
Harald Rudolph, KVG: »Das Phasenrauschen eines Quarzoszillators ist für viele Anwendungen das entscheidende Qualitätsmerkmal.«

Bei den besonders frequenzstabilen OCXOs (Quarzöfen) geht laut KVG-Manager Harald Rudolph »ein Trend zu kleinen SMD-OCXOs«, die in großen Stückzahlen etwa für die Femto-Cell-Stations benötigt werden. Der zweite Trend generiert eine erhöhte Nachfrage nach OCXOs mit verbessertem Phasenrauschen und geringerer G-Sensitivity.

Derartige Anwendungen für die Femto-Cell-Stations haben Anforderungen an die relative Frequenzstabilität im Bereich von 1 bis 3 x 10 hoch -7 über mehrere Tage, »was mit TCXOs nicht mehr oder nur sehr schwer, also teuer, realisierbar ist«, sagt Rudolph, Leiter Product Management bei KVG Quartz Crystal Technology. Neuerdings sind allerdings auch kleine SMD-TCXOs im nur 5,0 x 3,2 x 1,6 mm großen Gehäusen erhältlich, die zumindest eine Frequenstabilität über der Temperatur im Bereich von 1 bis 3 x 10 hoch -7 bieten – je nach betrachtetem Umgebungstemperaturbereich. In Gestalt der OCTCXOs (Oven Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator) und der TCOCXOs (Temperature Compensated Oven Controlled Crystal Oscillator) gibt es überdies Hybridoszillatoren, also Mischformen von OCXOs und TCXOs.

Das Phasenrauschen eines Quarzoszillators stellt für viele Anwendungen in der professionellen Telekommunikation, der Messtechnik und der Radartechnik »das entscheidende Qualitätsmerkmal dar«, betont Rudolph. Das bedeutet, einfach ausgedrückt, dass die Rauschleistung der Seitenbänder eines guten OCXOs, je nach betrachtetem Abstand vom Träger, bis zum 10.000-Fachen geringer ist als die eines Standard-TCXOs. Um Oszillatoren mit geringem Phasenrauschen bauen zu können, benötige man eine »ausgefeilte Schaltungstechnik, aber dies genügt nicht, denn das A und O ist der verwendete Quarz«. Quarze für rauscharme OCXOs werden mit besonderen Quarzschnitten hergestellt, haben eine linsenförmige Kontur, sind optisch feinpoliert, und die Elektroden werden meist mit Gold bedampft.

Die G-Sensitivity beschreibt die Phasen- und Frequenzstabilität des Oszillators gegenüber mechanischen Einflüssen wie Schock und Vibration oder auch Körperschall. Für OCXOs mit geringer G-Sensitivity werden neben den genannten Maßnahmen zusätzlich besondere Quarzhalter verwendet. Speziell entwickelte Low-G-Quarze erreichen eine G-Sensitivity von 5 x 10 hoch -10 gegenüber ca. 1 x 10 hoch -8 für Standardquarze. Beim Vergleich OCXO versus TCXO müsse man fairerweise aber die unterschiedlichen Volumina berücksichtigen (6600 mm3 beim OCXO, 70 mm3 dagegen nur beim TCXO), zudem die höhere benötigte elektrische Leistung von 1 W statt 10 mW und den etwa 100 mal höheren Preis. Die Bauelemente eines OCXOs werden heute - mit Ausnahme des Quarzes – automatisch in SMT bestückt. Auch das Einmessen und Abgleichen des Oszillators erfolgt oftmals automatisch.

Die Frequenzstabilität eines sehr guten OCXOs gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur ist mit 5 x 10 hoch -10 ca. 100.000 mal besser als die eines einfachen Clock-Oszillators mit einer Stabilität von 5 x 10 hoch -5. Die Kurzzeitstabilität – meist als Allan Deviation (ADEV) ausgedrückt - ist je nach betrachtetem Zeitraum ca. drei Zehnerpotenzen besser (5 x 10 hoch -12 gegenüber 5 x 10 hoch -9). Die Langzeitstabilität eines sehr guten OCXOs liegt bei 5 x 10 hoch -8/Jahr, ausgesuchte Exemplare liegen sogar darunter. Standard-XOs oder TCXOs werden üblicherweise mit 1 ppm pro Jahr spezifiziert. Auch wenn TCXOs bei weitem nicht an die Werte von OCXOs heranreichen, haben sie sich in einer »früheren Domäne der OCXOs« breitgemacht: In der »Stratum 3-Spezifikation«, die eine Holdover-Stabilität von ±0,32 ppm über 24 h und eine Gesamtstabilität inklusive Alterung über 15 Jahre von ±4,6 ppm fordert, »werden heute fast nur noch sehr gute TCXOs verwendet, die kleiner, leichter und kostengünstiger sind«.

Was die Frequenzbereiche von OCXOs anbelangt, so waren bis vor wenigen Jahren 10 oder 13 MHz die typischen Frequenzen. Heute gibt es OCXOs mit Frequenzen von bis zu 125 MHz im 5. Oberton, noch höhere Frequenzen werden mittels Frequenzvervielfacher-Schaltungen realisiert. So hat die KVG gerade einen neuen phasenrauscharmen OCXO mit 400 oder 500 MHz entwickelt, dessen Kern ein 5. Obertonquarz mit 100 MHz ist, der dann vervierfacht oder verfünffacht wird.

Analog Rudolph beobachtet auch Rolf Aschhoff, Sales&Marketing Director der MSC Vertriebs GmbH, bei OCXOs in den vergangenen zwei Jahren den Trend zu »kleineren Gehäusen, geringerem Energieverbrauch und noch höherer Stabilität«. IP-Netzwerkausrüster fordern zunehmend Oszillatorprodukte, die dem »IEEE 1588–2002«-Protokoll für extrem präzise Netzwerk- und Kontrollsysteme genügen. Um die MTIE/TDEV-Anforderungen im System erfüllen zu können, bedarf es eines OCXOs, der in puncto Stabilitätseigenschaften sogar die »Stratum 3E«-Spezifikationen noch deutlich übertrifft: »Fakt ist, dass bisher nur mit Modulen erreichbare Holdover-Stabilitäten inzwischen auch von OCXOs gefordert werden«, sagt Aschhoff. Überdies steigen die Anforderungen an das Phasenrauschverhalten ständig weiter, weil es etwa in bildgebenden Verfahren der Medizintechnik maßgeblich deren Auflösungsvermögen beeinflusst. Die gestiegenen Anforderungen an die Frequenzstabilität gehen einher mit einer für die Hersteller zum Glück nur »verhaltenen Preiserosion«. Die dennoch hohen Kosten und der vergleichsweise hohe Energieverbrauch bleiben aber ein Manko der OCXOs.

Fertigungstechnisch lasse sich wie in anderen Bereichen auch bei den ofenstabilisierten Oszillatoren grundsätzlich der Trend zu »immer höherer Automatisierung« beobachten. Gleichzeitig würden durch verbesserte Kompensation des Oszillatorkreises und Optimierung der Quarzblanks »die Stabilitätsparameter immer weiter verbessert». Neu ist, dass Hersteller wie SiTime für Standardanwendungen inzwischen auch MEMS-basierende OCXOs offerieren. Ob allerdings SiTime an der Dominanz von Herstellern wie Vectron, NDK, Epson, Rakon, CTS, KVG und Morion etwas ändern werde, »bleibt abzuwarten«. Applikationsseitig sind die klassische Domäne von OCXOs nach wie vor jede Art von Telekommunikationssystemen sowie Test- und Meßsysteme. »Überall dort, wo es auf geringste Alterung, höchste Kurzzeitstabilität und minimalstes Phasenrauschen ankommt, führt aus heutiger Sicht wohl auch künftig an OCXOs kein Weg vorbei«, betont Aschhoff. Allerdings werden inzwischen in einigen Applikationen OCXOs mit SC-Quarzen durch kostengünstigere AT-Quarze in Verbindung mit verbesserten Kompensationsalgorithmen ersetzt.