Die Wahl der richtigen Taktgeber für die Fahrzeug-Vernetzung

Autor / Redakteur: Mark Bajus, Marcel Kaupp * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Auf dem Weg zum vollautonomen Fahrzeug werden eine immer höhere Rechenleistung und immer mehr Sensoren benötigt. Dabei wird jedoch oft unterschätzt, welch wichtige Rolle Taktbausteine spielen.

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Die SiTime 93xx Serie: optimiert für Automotive-Ethernet/ADAS-Systeme
Die SiTime 93xx Serie: optimiert für Automotive-Ethernet/ADAS-Systeme
(Bild: © folienfeuer- stock.adobe.com)

Autonome Fahrzeuge stützen sich auf Kameras, LiDAR, Radar und andere Sensoren, um die Insassen sicher durch die Straßen zu steuern. Diese Sensoren generieren eine gigantische Menge an Daten, die in eine Motorsteuerungseinheit eingespeist werden, die auf Basis von Echtzeitinformationen kritische Entscheidungen trifft. Um die Sensoren mit der „Entscheidungs-Einheit“, der ECU (electronic control unit) zu verbinden, setzen viele Designer auf 10-G-, 40-G- und 100-G-Ethernet, was einen low-jitter Oszillator unverzichtbar macht, der den anspruchsvollen Bedingungen innerhalb eines Autos gerecht werden kann.

Jitter ist die Abweichung zwischen erwarteten und tatsächlichen Taktflanken innerhalb eines Systems. Je stärker der Jitter, desto ungünstiger wird das System beeinflusst. Im Falle des autonomen Fahrens kann Jitter Einfluss darauf haben, wie schnell die Daten von den Sensoren zur ECU geschickt werden. Auf der Straße, wo sich die Umgebung des Fahrzeugs ständig ändert, kann jede Verzögerung der Datenübertragung sehr problematisch werden.

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Zusätzlich zu geringem Jitter müssen Timing-Komponenten auch unter verschiedenen Straßenbedingungen wie Kälte, Hitze, Nässe oder Glätte, zuverlässig funktionieren.

Folgende Guideline kann helfen, die richtige Timing-Lösung für eine verlässliche Vernetzung innerhalb eines Fahrzeugs zu finden:

▪ AEC-Qualifizierung,

▪ Unempfindlichkeit gegenüber Schock und Vibrationen,

▪ hohe Zuverlässigkeit,

▪ starke Performance bei Rauschen auf der Versorgungsspannung,

▪ eine Vielfalt an Frequenzen, einschließlich 156.250000 MHz, die für Ethernet Applikationen benötigt wird,

▪ die Fähigkeit, auch unter schnellen Temperaturschwankungen die Stabilität aufrechterhalten zu können,

▪ außerordentlich geringer RMS-Phasenjitter,

▪ zuverlässige Lieferanten.

Die Oszillatoren SiT9386 und SiT9387 von SiTime erfüllen all diese Anforderungen. Die Bauteile sind Teil der Elite Platform von MEMS basierenden Differentialoszillatoren. Diese Plattform verwendet die DualMEMS Architektur, die stabile Taktung und außergewöhnliche Robustheit gegenüber Umweltstressoren wie Stößen, Vibrationen, Rauschen auf der Versorgungsspannung oder bei Temperaturschwankungen, die gerade im automobilen Umfeld alltäglich sind, gewährleistet.

Hier die wesentlichen Vorteile der SiTime-Lösung gegenüber herkömmlichen Quarz-Oszillatoren: Der siliziumbasierte MEMS-Resonator bietet durch seine kompakten Maße von 400 µm x 400 µm und seine geringe Masse (ca. 1/3000 bis 1/1000 eines vergleichbaren Quarzoszillators) eine 30-fach höhere Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Vibrationen. Ferner handelt es sich bei der Herstellung der SiTime-Oszillatoren um eine vollautomatisierte Halbleiterwafer-Fabrikation. Der MEMS-Resonator wird auf der Waferebene gekapselt und vakuumversiegelt, wobei der SiTime-EpiSeal-Prozess verwendet wird, der die Resonatorstruktur für eine Verunreinigung von außen undurchlässig macht. Als Ergebnis dieses ultrareinen Prozesses und EpiSeal auf der Waferebene beträgt die Fehlerrate nur 1,5 DPPM (defective parts per million). Im Vergleich zu Quarzoszillatoren kann hier von einer Steigerung der Zuverlässlichkeit um den Faktor 20 ausgegangen werden, was einer MTBF von über 1 Mrd. h entspricht.

Die MEMS-Oszillatoren integrieren einen LDO (Low Drop Out Regulator), was gegenüber herkömmlichen Taktlösungen für eine zehnfache Verbesserung der Performance bei Rauschen auf der Versorgungsspannung (0,02 ps/mV PSNR) sorgt.

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