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Neue Generation Chip-Scale-Atomuhren

Posted: 10th December 2020

Neue Generation Chip-Scale-AtomuhrenDie Welt bewegt sich in Richtung globaler synchroner Kommunikation und Datenverteilung sowie hoher Genauigkeit für autonome Anwendungen. Daher steht die Anforderung an eine höhere Zeitgenauigkeit im Vordergrund der Überlegungen von Entwicklungsingenieuren. Man sollte nicht gezwungen sein, die Designparameter von Anwendungen zu reduzieren, um den Anforderungen des On-Board Oszillators gerecht zu werden. Deshalb bietet dieser Blog einen Einblick sowohl in traditionelle als auch in neue Technologien von Atomuhren.

Bei der Suche nach einem Oszillator mit der besten Langzeit- und Kurzzeitstabilität, der in ein Produkt eingebaut werden kann, ziehen Ingenieure oft die Verwendung eines Rubidium-Oszillators (Rb-Oszillator) in Betracht. Sie können sowohl eine hohe Kurzzeitstabilität als auch eine hohe Langzeitstabilität (Alterung) bieten – also eine hervorragende Kombination. All dies kann in einem PCB‑montierbaren Produkt untergebracht werden.

Ein traditionelles Rubidium Physics Package besteht aus einer Rb-Lampe, einer Dampfzelle mit Rb‑Gas und einem Lichtsensor. Das Physics Package nutzt die Vorteile des Hyperfeinübergangs von Elektronen in Rubidiumatomen, um eine stabile Ausgangsfrequenz zu erzeugen.

Es handelt sich um ein unglaubliches Stück Technologie, das Quantenphysik und Hochfrequenz (HF)-Elektronik kombiniert, um ein Zeitsignal zu erzeugen, und das nur von viel größeren Cäsium-Systemen übertroffen werden kann. Das Prinzip erfordert jedoch, dass die Dampfzelle auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, so dass die Rb-Lampe sehr stromintensiv sein kann und die Rubidium-Oszillatoren folglich eine begrenzte Lebensdauer haben können.

Jeder, der in der Elektronikindustrie arbeitet, weiß, dass der Trend zu geringerem Stromverbrauch und kleineren Bauteilen geht. Vielleicht ist es an der Zeit, sich eine neue Technologie anzusehen...

Es ist fast 20 Jahre her, dass die Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA) und das National Institute of Standards and Technology (NIST) erstmals an einer Atomuhr im Chip-Maßstab gearbeitet haben. Es dauerte weitere 10 Jahre, bis andere mit der Arbeit an einer kommerziellen Version dieses Produkts begannen. Diese Produkte verwenden eine etwas andere Form eines Physics Package, das als „Coherent Population Trap“ (CPT) Methode bekannt ist.

Das CPT-Design nutzt ebenfalls eine Rb-Dampfzelle, aber anstelle einer Lampe verwendet es einen Laser. Dadurch werden sowohl die Atome in einen höheren Zustand angeregt, als auch die Änderung des Quantenzustands nachgewiesen.

Das ist interessant für diejenigen, die in der Welt des Oszillator-Designs aktiv sind, aber noch wichtiger für diejenigen, die die beste Langzeitstabilität und die beste Kurzzeitstabilität bei einem Oszillator suchen, kombiniert mit einer viel geringeren Stromaufnahme in einer viel kleineren Größe!

Diese Produkte sind speziell entwickelt für Anwendungen, bei denen Größe, Stromverbrauch und Wärmeableitung sehr hohe Priorität beim Design haben. Das CPT-Design eignet sich ideal für den Einsatz in einer Grandmaster-Clock, einer Primary Reference Time Clock (PRTC) oder einer Boundary Clock in einer Precision Time Protocol (PTP)-Netzwerkhierarchie, bei der ein einfacher Einbau in ein 1-HE-Gehäuse ein Muss ist. Da sich das Bauteil in der Regel nicht so stark aufheizt wie traditionelle Rubidium-Oszillatoren, eignet es sich außerdem ideal für Anwendungen, bei denen Luftkühlung nicht oder nur schwer möglich ist.

Wenn Sie auf der Suche nach einer Chip-Scale-Atomuhr (CSAC) der nächsten Generation sind, kann IQD Ihnen nun den neuen ICPT-1 anbieten. Dieser ist eine perfekte Ergänzung zum bisherigen Rubidium-Oszillator-Portfolio des Unternehmens.

Dieses Produkt ist nur 14,5 mm hoch, nimmt 1,6 W auf und wird mit 3,3 V betrieben! Diese Versorgungsspannung bietet die Möglichkeit, Systeme mit einer einzigen Versorgungsspannung zu entwickeln. Das Gerät wird mit einem CMOS-Ausgangssignal geliefert. Dies reduziert den Bedarf an zusätzlichen Schaltungen, da sich das Gerät nahtlos in die bestehende Systemarchitektur integrieren lässt.