Der Perioden-Jitter hängt mit dem Phasenrauschen [2, 3] zusammen und wird bei großen Offset-Frequenzen, die bis zur Hälfte der Taktfrequenz betragen können, oft durch selbiges dominiert. Bei solch großen Offsets ist die Performance des Ausgangspuffers für das Phasenrauschen ausschlaggebend, nicht mehr die Güte Q des Oszillators. Daher ist eine rauscharme Ausgangsstufe erforderlich, um einen niedrigen Perioden-Jitter zu erhalten. Tabelle 1 vergleicht den Perioden-Jitter verschiedenen Taktbauelemente. Diese Werte sind eine direkte Folge der Netzstörunterdrückung (Power Supply Rejection Ratio, PSRR, Bild 7).
Der Halbleiter-Oszillator »Si500« von Silicon Labs basiert auf einem Standard- IC-Fertigungsprozess (Bild 2). Er wird in 0,13-μm- CMOS-Technik mit einem Kunststoffgehäuse ausgeliefert, das keine hermetische Abschirmung erfordert. Der Halbleiter-Oszillator ist beim Test ab Werk auf eine bestimmte Frequenz, ein bestimmtes Signalformat und eine bestimmte Versorgungsspannung vorprogrammiert.
Jeder unprogrammierte Si500 kann jede Frequenz zwischen 0,9 MHz und 200 MHz generieren und stellt somit eine Oszillatorlösung für Standard- und kundenspezifische Frequenzen dar, die innerhalb von höchstens zwei Wochen lieferbar ist. Jeder Si500- Oszillator basiert auf dem gleichen, kostengünstigen Standard-IC-Fertigungsprozess, was eine wirtschaftliche Fertigung, umfassende Qualitätsüberwachung und statistische Prozesssteuerung ermöglicht.
Bild 3 zeigt das Blockdiagramm des Si500. Kernelement ist ein frequenzflexibler LC-Oszillator mit niedrigem Phasenrauschen. Über »intelligente« Mixed-Signal- Analogschaltkreise ist der Oszillator gegen Frequenzabweichungen aufgrund von Betriebstemperatur, Alterung und anfänglicher Frequenzungenauigkeit sowie aufgrund sich ändernder Versorgungsspannung und Ausgangslast kompensiert. Darauf wird im Folgenden näher eingegangen. Die Wahl der Frequenz, Art des Ausgangs, Versorgungsspannung und »Output Enable« (OE) wird im nichtflüchtigen Speicher (NVM) abgelegt. Beim Systemstart kalibriert sich der Si500 selbst und konfiguriert sich mithilfe der abgelegten Parameter für den Betrieb.
Die Temperaturstabilität eines Oszillators bezieht sich auf die Frequenzänderung über dem Betriebstemperaturbereich des Bausteins. Der Si500 erreicht durch dynamische Temperaturkompensation eine Temperaturstabilität von typisch ±10 ppm. Dies entspricht der Leistungsfähigkeit eines Quarzoszillators.
Bild 4 vergleicht die Temperaturstabilität des Si500 mit Quarz- und MEMS-basierten Oszillatoren. Über die Messwerte eines integrierten Temperatursensors kann der Baustein die Mittenfrequenz des LC-Oszillators dynamisch anpassen. Dazu verwendet das IC eine Polynom-Anpassung mehrfacher Ordnung. Das Temperaturverhalten des internen Oszillators wird bei jedem Baustein im Rahmen des Ausgangstests individuell kalibriert, was die Abweichung von Baustein zu Baustein minimiert.
Bei allen Oszillatoren verändert sich im Laufe ihrer Lebensdauer die Frequenz. Diese Alterung stellt einen wichtigen Aspekt im Rahmen der gesamten Frequenzstabilität dar. Dafür sind verschiedene Alterungsmechanismen verantwortlich: Resonatordesign, Zusammenbau des Oszillators, Verschmutzungsgrad rund um den Resonator, Elektronikdesign und die Betriebstemperatur. Um die Obergrenze der Alterung festzustellen, müssen möglichst viele dieser Mechanismen überwacht werden und die Einhaltung über umfangreiche Alterungsstudien überprüft werden.
Da der Si500 Frequenzen über einen großen Bereich generieren kann (0,9 MHz bis 200 MHz), muss der Ausgangspuffer eine einfache Anbindung an die vielen gängigen Empfängerformate und Spannungen in diesem Bereich ermöglichen. Der Si500 bietet einen programmierbaren Ausgangspuffer, der differenzielle und unsymmetrische Formate (single ended) unterstützt (Tabelle 2). Gleichzeitig vereinfacht er den Designaufwand, da übliche externe Bauteile bereits integriert sind. Bestehende Oszillatorlösungen unterstützen entweder CMOS für niedrigere Frequenzen (unter 150 MHz) oder LVPECL für höhere Frequenzen (40 MHz bis 200 MHz). Da der Si500 von Haus aus mehrere Formate und Spannungen unterstützt, erübrigen sich externe Puffer und Pegelumsetzer.