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Schwingquarze und Oszillatoren Möglichkeiten und Grenzen bei der Erzeugung von stabilen Mikrowellensignalen Bernd Neubig Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. © AXTAL GmbH & Co.KG Wasemweg 5 74821 Lobbach Juni 2006 www.axtal.com [email protected] Fon: 06261 939834 1 Erzeugung von quarzstabilen Mikrowellensignalen Mögliche Quellen: Quarze: Hochfrequente Grundwellen- oder Obertonquarze AT- Quarze oder SC-Quarze HFF- Quarze SAW- Resonatoren OCXO oder TCXO im Bereich 5 MHz ~ 30 MHz Im Bereich um 100 MHz Juni 2006 2 Erzeugung von quarzstabilen Mikrowellensignalen Mögliche Aufbereitung: Frequenzvervielfachung Injection Locking PLL-Anbindung OCXO oder TCXO an VCO VCO mit Stripline, Koax-Resonator, Dielektr.Res, SAWR Juni 2006 3 Erzeugung von quarzstabilen Mikrowellensignalen Herausforderungen: Frequenzstabilität Kurzzeit, Langzeit, Temperatur, Pushing, Pulling Spektrale Reinheit Harmonics, Subharmonics, Anharmonics Phasenrauschen / Phasenjitter Trägernah, Weitab Mikrofonie / g-sensitivity Juni 2006 4 Quarze Quarze: AT- Quarze oder SC-Quarze HFF- Quarze SAW- Resonatoren OCXO oder TCXO im Bereich 5 MHz ~ 30 MHz Im Bereich um 100 MHz Juni 2006 5 AT-Schnitt, Dickensscherungsschwinger Rotation um Winkel Θ AT : Θ ca. 35° +- 15‘‘ z AT h n i t t Sc Beim AT-Schnitt besitzt die Dickenscherungsschwingung bei Raumtemperatur einen Temperaturkoeffizienten (TK) von Null. y x Juni 2006 6 f(T)-Kurven beim AT-Schnitt 25 ∆θ 20 35¼o 7’ 10 ’ ∆θ r m R 8’ 15 ∆f f (ppm) Z AT-Schnitt R Y -1’ m r 0’ 6 Y-Quarzbarren 5’ 5 1’ 4’ 0 3’ -5 3’ 2’ 4’ 1’ -10 ’ 0 -15 ’ -1 -20 -25 2’ 5’ θ = θ0 + ∆θ θ0 = “Nullwinkel” = 35o 12,5’ für Grundwelle planparallel 6’ 7’ 8’ -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Temperatur (oC) Juni 2006 7 Doppelt gedrehte Schnitte mit TK= Null 90o Erste Rotation um Winkel Θ Θ ca. 34° +- 15‘‘ 60o 30o θ 0 -30o FC AT IT SC •Y RT BT -60o -90o ch a f t Ein dreh ge Do ge ppel dre tht 0o Θ ≈ 35°: 10o φ 20o 30o AT-Schnitt: TK = 0 ppm/K bei ≈ 25°C SC-Schnitt*: TK = 0 ppm/K bei ≈ 95°C * SC = Stress Compensated Zweite Rotation um Winkel Φ SC: Φ ca. 22° +-10‘ Juni 2006 8 TK-Kurven des SC-Schnitts TK-Kurven SC-Schnitt 5 4 3 0 2 0,25 0,5 1 0,75 1 0 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 1,25 1,5 -1 1,75 2 -2 2,25 2,5 -3 ppm(Max) -4 ppm(Min) -5 Temp [°C] Juni 2006 9 f(T) - Kurve beim SC-Schnitt 20 (ppm) 10 ∆f f 15 0 Frequenzänderung ±2 ppb (= ± 2.10-9) über Ti ± 1K ∆θ = 0 5 -5 Kurvenscharen für ∆θ ≠ 0 -10 formähnlich wie bei AT-Schnitt -15 -20 20 40 60 80 100 120 140 160 Temperatur (0C) Juni 2006 10 Eigenschaften des SC-Schnitts SC = „Stress Compensated“, d.h. unempfindlicher gegen mechanischen Stress geringere Empfindlichkeit bei Beschleunigung g-sensitivity Mikrofonie höhere Schwingungsamplituden möglich geringeres Phasenrauschen geringere Alterung bei gleicher Amplitude wie AT Juni 2006 11 Eigenschaften des SC-Schnitts TK- Kurve ist bei typischen Thermostattemperaturen (70°C ~ 90°C) flacher höhere Temperaturstabilität bei gleicher OCXO - Baugröße kleinere Baugröße für gleiche Temperaturstabilität Starke (unerwünschte) B-Mode, nur 9% oberhalb der (erwünschten) C-Mode Aufwendigere Selektionsmittel in der Oszillatorstufe Wesentlich teuerer als AT-Schnitt Juni 2006 12 Oszillatorstufe mit AT/SC-Quarz L1-C1: Unterdrückung B-Mode L2-C2: Unterdrückung Grundwelle AT-Grundwellen-Quarz Juni 2006 SC-Quarz 3. Oberton 13 Hochfrequente Grundwellenquarze (HFF) Technologische Dickengrenze für mechanische Bearbeitung: d ? 40 µm ? höchste Grundfrequenz ca. 45 MHz Tiefes Strukturätzen mit Inverted-Mesa-Technik: D2 D1≈ 50 µm Stand der industriellen Technik: Grundwelle 150 MHz bis 250 MHz 3. Oberton bis 750 MHz Juni 2006 14 HFF-Quarze Juni 2006 15 HFF-Quarze Vorteile: einfache Oszillatorschaltung ohne Abstimmung geringerer Vervielfachungsfaktor größere Ziehbarkeit als Obertonquarze C1~1/n² Nachteile: geringere Güte (Q•f) als Obertonquarze Phasenrauschen schlechter Kleinstückzahlen schwer erhältlich Juni 2006 16 SAW Resonatoren λ 2 λ 2 BAW SAW, One-port SAW, Two-port Ersatzschaltbild C0 C1 L1 L1 R1 BAW and One-port SAW Juni 2006 C0 C1 R1 C0 Two-port resonant SAW 17 SAW Resonatoren Frequenzbereich ab 100 MHz bis > 1 GHz Güte im Bereich n· 1000 Temperaturstabilität im Bereich n·100 ppm Abgleichgenauigkeit ca. ±100…±300 ppm Ziehfähigkeit im Bereich n·100 ppm Juni 2006 18 Stabilitätsfaktor Quarzgüte (BAW) 100 Güte Q, in Millionen 60 40 Ideale Güte-Grenzkurve (ohne innere Reibung) Q . f = 16 . 1012 Hz 20 10 8 6 4 90 mm 30 mm 2 Quarzscheibe nDurchmesser evakuiert 1 0.8 0.6 0.4 15 mm 0.2 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 1.0 2 4 6 8 10 Unter Normaldruc k 20 40 60 100 Frequenz in MHz Juni 2006 19 Stabilitätsfaktor Quarzgüte Höhere Güte bei größerer Quarzscheibe Höhere Güte bei niedriger Frequenz Charakteristische Größe: Q • f , liegt im Bereich n·1012 Hz (n = 1 ~ 16) Oberton-Quarze haben höhere Güte als Grundwellenquarze SC-Quarze haben etwas höhere Güte als AT Juni 2006 20 Phasenrauschen- Einflussfaktoren Theorie: Leeson-Formel: ⎛ f02 4 L(f ) = ⎜ α R f 0 + α E 2 ⎜ 4Q eff ⎝ ⎞ 1 ⎛ GFkT f 02 3 ⎟ ⋅ + ⎜ 2α R Qeff f 0 + 2 2 ⎟ f3 ⎜ P 4Q 0 eff ⎠ ⎝ ⎞ 1 α GFkT ⎟⋅ + E +2 ⎟ f2 f P0 ⎠ aR ... Funkelrauschen des Quarzes ≈ 2·10-39 rad²/Hz² aE ... Funkelrauschen des Verstärkers ≈ 6·10-14 rad² Qeff ... Betriebsgüte des Resonators G ... Verstärkung F ... Rauschfaktor kT ... Boltzmann-Konstante, Temperatur in K P0 ... Ausgangsleistung Juni 2006 21 Rauscharme Oszillatorschaltung Aus: Bernd Neubig: Entwurf von hochstabilen Quarzoszillatoren;Vortrag 13. GHz-Tagung Dorsten 10.2.1990 Juni 2006 22 Optimale Quarzfrequenz für Mikrowellenanwendung ? Höhere Frequenz = geringe Subharmonics (Vervielfachung) bzw. Anharmonics (PLL) Höhere Frequenz = geringere Quarzgüte 10 MHz SC3: Q = 1.5 Mio 100 MHz SC5: Q = 150 000 Q · f = 15 ·1012 = const. Phasenrauschen 100 MHz-Quarz: wegen geringer Güte und größerer Absolutbandbreite trägernah schlechter 10 MHz-Quarz: bei Vervielfachung um 20·log10 (10) = 20 dB weitab schlechter Juni 2006 23 Vergleich 10 MHz *10 vs. 100 MHz Juni 2006 24 Optimale Quarzfrequenz für Mikrowellenanwendung ? Ziehfähigkeit reduziert sich mit dem Quadrat des Obertons Problem Sollfrequenzabgleich bei höherer Frequenz kaum Reserve für Alterungsabgleich Oberton SC - Quarze bei 100 MHz teurer, Oberton AT- Quarzen sind deutlich günstiger Optimale Quarzfrequenz bestimmt sich aus den Anforderungen an Phasenrauschen und Kosten Juni 2006 25 Quelle: Vor- und Nachteile Methode Vorteile Nachteile Höherfrequente Obertonquarze Höhere Quarzgüte als GW, weniger Subharmonics Geringere Ziehfähigkeit SC- Quarze Hohe Güte, niedriger TK, geringeres Phasenrauschen Kosten, Ziehfähigkeit, komplexere Schaltung HFF- Quarze Weniger Subharmonics, einfache Oszillatorschaltung Geringe Güte, stärkere Alterung, „krumme“ Frequenzen SAW-Resonatoren Hohe Ausgangsfrequenz, niedriges WeitabPhasenrauschen Geringere Güte, geringe Temperaturstabilität, „krumme“ Frequenzen Juni 2006 26 OCXO / TCXO Mögliche Quellen: Quarze: Hochfrequente Grundwellen- oder Obertonquarze AT- Quarze oder SC-Quarze HFF- Quarze SAW- Resonatoren OCXO oder TCXO im Bereich 5 MHz ~ 30 MHz Im Bereich um 100 MHz Juni 2006 27 Unerwünschte Eigenschaften TK-Diskontinuitäten (Dips) Frequenzhysterese Alterung Juni 2006 28 TK-Diskontinuitäten (Dips) Sprungartige Frequenzänderungen, i.d.R. verbunden mit Widerstands- Einbrüchen in einem schmalen Temperaturbereich. Ursachen (meist): - Kopplung mit Störresonanzen, d.h. Obertöne anderer Schwingungsformen * Miniatur- (SMD-) Quarze sind anfälliger gegen Dips als konventionelle „große“ Quarze _________________________________________________ * Temperaturlage hängt von der Lastkapazität ab. Effekt kann durch Absenken des Quarzstroms reduziert werden Juni 2006 29 TK-Dips fL2 Widerstand Frequenz ∆f 10 X10-6 f fR RL2 RL1 R1 -40 Juni 2006 fL1 -20 0 20 40 0 Temperatur ( C) 60 80 100 30 Frequenzhysterese Differenz im Temperaturgang der Frequenz beim Aufheizen und Abkühlen. Hysterese des Resonators Ursachen: Mechanische Spannungen in der Resonatoraufhängung, den Klebestellen, den Elektroden. Thermisches „Überschwingen“ bei schnellen Temperaturänderungen Hysterese und Dips begrenzen in der Praxis die mögliche Temperaturkompensation (TCXO) Juni 2006 31 Hysterese (TCXO) Relative Frequenz (ppm) 1.0 0.5 0.0 -25 -5 15 35 55 75 Temperatur (0C) -0.5 -1.0 Juni 2006 32 Alterung Einflussgrößen auf die Quarzalterung Herstellungsprozess Viele Einflussparameter ... Gehäusetechnologie Nach Alterung geordnet (von schlecht nach gut): Glasfritte, Lötverschluss, Epoxy-Klebverschluss, Stromverschweißen, Kaltverschweißen, Schmelzglasverschluss Quarzbelastung Höhere Quarzbelastung erzeugt in der Regel eine höhere Alterungsrate. AT-Quarze benötigen eine niedrigere Belastung als SC-Quarze für gleiche Alterung Juni 2006 33 Alterung Einflussgrößen auf die Quarzalterung Umgebungsbedingungen Temperaturwechsel beschleunigen die Alterung stärker als stationäre Bedingungen Ein-/Ausschalten erzeugt Frequenzoffset (Re-trace) Mechanische Erschütterungen Einfluss von Oszillatorkomponenten Mit OCXO sind bessere Alterung als mit TCXO erzielbar – Konstantere Umgebungsbedingungen, keine Hysterese und Dips – Bei TCXO wird Ziehfähigkeit zur Temperaturkompensation benötigt, bei OCXO kann Quarz „steif“ (kleines C1) sein, damit weniger abhängig von Oszillatorkomponenten. Gute Quarze werden mit zunehmendem Alter besser! Juni 2006 34 Alterung A(t) = 5 ln(0.5t+1) ∆f/f Time A(t) +B(t) B(t) = -35 ln(0.006t+1) Die Alterungsmechanismen haben verschiedene Zeitkonstanten, Stärke und Vorzeichen. Überlagerung mehrerer Mechanismen kann zur Vorzeichenumkehr der Alterung führen Juni 2006 35 Frequenzaufbereitung Mögliche Aufbereitung: Frequenzvervielfachung Injection Locking PLL-Anbindung OCXO oder TCXO an VCO VCO mit Stripline, Koax-Resonator, Dielektr.Res, SAWR Juni 2006 36 Phasenrauschen einer PLL Juni 2006 37 Aufbereitung: Vor- und Nachteile Methode Vorteile Frequenzvervielfachung Quarzpreis, gutes trägernahes Phasenrauschen Nachteile Schaltungskomplexität, Abgleichaufwand, schlechteres Weitabrauschen Stärkere Mikrofonie bei hohem Vervielfachungsfaktor Injection Locking Relativ einfache Schaltungsstruktur Starke Subharmonics, schlechtes Phasenrauschen Phase-Locked Loop (PLL) Relativ einfache Realisierung, Standard-IC Verschlechterung des Phasenrauschens („PLLKnie“), starke Subharmonics relativ trägernah Juni 2006 38 Zusammenfassung Höchste Frequenzstabilität wird durch OCXO mit SC-Quarzen erreicht, in den meisten Fällen ist eine Ausgangsfrequenz im Bereich um 100 MHz optimal Für geringstes Phasenrauschen ist eine Frequenzvervielfachung gegenüber einer PLL vorzuziehen. Durch optimales Design der PLL lassen sich jedoch bei geringerem Bauteil- und Abgleichaufwand auch gute Phasenrauschwerte erzielen. Juni 2006 39
