השעון האטומי בתוך שבב – פיתוחים אחרונים

שעונים אטומיים משחקים תפקיד מכריע בתזמון המדויק וסנכרון של מערכות תקשורת וניווט חדישות. טכנולוגיית ה-Chip-Scale Atomic Clock (CSAC) המופיעה לאחרונה תרחיב את פריסת דיוק התזמון האטומי עד ליישומים ניידים, מוזני-סוללה.
קבוצת המחקר של Symmetricom ב-Symmetricom Technology Realization Center, בשיתוף עם קבוצת ה-Microelectromechanical Systems ב-Charles Stark Draper Laboratory וקבוצת האופטו-אלקטרוניקה ב-Sandia National Laboratories, פיתחה טכנולוגיית CSAC מאז 2002. בכינוס של ה-ICFS של 2005 הצגנו את ההוכחה הראשונה שלנו של CSAC משולב במלואו, בעל צריכת הספק של פחות מ-200 מילי-ואט ויציבות לזמן קצר: σγ(τ) < 1x 10-9τ-1/2 [1]  .
ב- EFTF/IFCS של 2007 דיווחנו על העקביות בביצועים של 10 CSACs כמעט זהים, בעלי צריכת הספק של כ-125 מילי-ואט ויציבות לזמן קצר
σγ(τ) = 2 – 3 x 10-10τ-1/2 [2]
מאז 2007, המאמצים ההנדסיים שלנו התמקדו בעדכון התכנון למען ייצוריות, אמינות ועקביות מוצר משופרות. דו”ח זה מתאר מאפייני שיפורים בביצועים איטרטיביים ובתכנון אשר מומשו מאז הדו”ח הקודם שלנו.

CSAC – סקירה כללית

A. מארז פיזי
ארכיטקטורת המארז הפיזי של ה-CSAC תוארה בפרוטרוט בפרסומים קודמים [3, 4] והיא מוצגת באיור 1. מאז 2007, הממד הכללי של המארז הפיזי הוקטן מ-1 סמ”מ (איור 1(a)) ל-0.35 סמ”מ (איור 1(b)). יש לשים לב שהגיאומטריה של הרכיבים העיקריים הקובעים את הביצועים, תא התהודה, הלייזר ומערך הגילוי לא שונתה כדי לשמור על יציבות השעון. נפח החלל הריק בין המערך המיוצב בטמפרטורה והמארז הוקטן. ההשפעה על צריכת ההספק היא מזערית מאחר שההובלה התרמית דרך מערך התמיכה נשארת מרכיב קטן מכלל צריכת ההספק, אשר נשלטת על-ידי הקרינה התרמית מהמשטחים המחוממים. המארז הפיזי החדש, הקטן יותר, פועל ב-90oC בטמפרטורת סביבה של 25oC עם הספק חימום של פחות מ-10 מילי-ואט.

B. אלקטרוניקה
גם ארכיטקטורת האלקטרוניקה נשארה ככלל ללא שינוי לעומת תכנוני האב-טיפוס. שיפורים איטרטיביים כוללים את ההוספה של מערכת של 1 פולס לשנייה (1PPS), (ראה פרק IV), מעבר למיקרו-מעבד בעל ביצועים גבוהים יותר, ושיפורים זעירים אחרים הנועדים להקטין את הצריכה ולשפר את הביצועים. מאמץ משמעותי הושקע בעידון הקושחה כדי להקטין את הצריכה, לשפר ביצועים ולהבטיח פעולה אמינה בכל התחום הצפוי של תנאי סביבה.

C.זיווד
גם בזיווד ה-CSAC נעשו שיפורים זעירים. כמתואר באיור 2, ניצלנו את המארז הפיזי הקטן יותר כדי להוסיף עוד שכבה של סיכוך mu-metal לשם רגישות מגנטית מופחתת, מבלי לשנות את הממדים הכלליים של ה-CSAC.

ביצועי ה-CSAC
שיפורי הביצועים המשמעותיים מאז 2007 כוללים צמצום של 25% בצריכת ההספק של ה-CSAC, שיפור 3X ביציבות לזמן קצר, ותיקון הבעיה המכונה “bimodal retrace problem”.

A.צריכת הספק
צריכת ההספק הכוללת של ה-CSAC צומצמה לפחות מ-100 מילי-ואט. אם משווים את טבלה 1, להלן, עם טבלה 1 של [2], מרבית החיסכון בהספק הושג על-ידי שיפורים  ביעילות המיקרו-מעבד/קושחה ומסנתז המיקרוגל.
צמצום משמעותי בהספק המוצא הדרוש מה-VCO מיקרוגל הושג על-ידי מיטוב הצימוד בין המסנתז והמארז הפיזי.

B.יציבות לזמן קצר
ב-2007 דיווחנו שהיציבות לזמן קצר (STS) של 10 אבי-הטיפוס של CSAC הייתה משמעותית פחותה לעומת ה-STS של המארזים הפיזיים, כאשר הופעלו באלקטרוניקה מעבדתית ממוטבת. כמתואר באיור 11 של [5], המארזים הפיזיים מסוגלים לשאת STS של
σγ(τ) = 3 – 5 x 10-11τ-1/2 , בעוד ה-CSACs השלמים רק הוכיחו STS של:
σγ(τ) = 2 – 3 x 10-10τ-1/2   כמתואר באיור 8 של [2].   הפחתה זו 5-6X  ייוחסה בזמנו להרכשה האלקטרונית הנוספת בתהליכי התשאול, ו/או ההתאוששות של האות.
מאמץ ממוקד הניב שיפורים בשרשרת התאוששות האות, אלגוריתמי הסרוו של השעון ומסנתז המיקרוגל.  אלה תרמו בנפרד רק לשיפורים משניים ב-STS הכולל של ה-CSAC   אם כי, ממומשים ביחד, הם גרמו לתגבור הביצועים פי 2 או 3, כמתואר באיור 3.
עם האלקטרוניקה והקושחה המשופרות, STS טיפוסי של CSAC הוא
σγ(τ) = 6 – 8 x 10-11τ-1/2,  שיפור פי 2-3 לעומת התוצאות הקודמות. מאחר שבכך אין ניצול מלא של פוטנציאל המארז הפיזי,  אנו צופים שהתקדמות נוספת  תחייב שיפור יסודי בתכונות הרעש של מסנתז המיקרוגל.

C.תחזיר (retrace)
באיור 11 של [2] הצגנו תוצאות מדאיגות של תחזיר התדר של אבי-הטיפוס של ה-CSACs, כלומר שגיאת התדר שנמדדה כאשר ה-CSAC הוזן ונותק מחזורית. ההיסטוגרמה של שגיאת התחזיר הציגה פיזור בי-מודלי ברור. בעוד לכל אחד מה”מודים” היה רוחב של רק Δy=7×10-11, המרווח בין שני המודים היה
y=2-3×10-10. ההופעה היחסית של שני המודים נראתה כאקראית בהחלט.
ב-EFTF/IFCS של 2007, קבענו שהתחזיר הבי-מודלי נגרם על-ידי הלייזר במארז הפיזי המשיג נעילה ראשונית באחד משני מודי הקיטוב. בהמשך לדו”ח זה, נבנו מארזים פיזיים הכוללים מקטב (polarizer) כדי להבטיח מוד יחיד של פעולה. התקנים אלה הציגו תחזיר בי-מודלי דומה.
לבסוף, הבעיה אותרה כמשתנה ללא-תיחול בקושחה, ונפתרה על-ידי הוספת קו יחיד של קוד מקור.
איור 4 מראה את התוצאות של מדידות תחזיר חדשות. במשך תקופה של 5 ימים, ה-CSAC הוזן מחזורית לשעתיים ונותק לשעה אחת. איור 4(b) הוא היסטוגרמה של מדידות תדר במהלך תקופה זו, המראה שגיאת תחזיר כוללת של Δy≈3×10-11. שים לב שניתוח תוצאות זה כולל בהכרח שגיאות בשל הסחיפה לזמן ארוך והשפעות הטמפרטורה. אם מסתכלים על השגיאות בין מחזורים סמוכים בלבד מקבלים פיזור מעט צר יותר של Δy=1×10-11

D.סחיפה לזמן ארוך
ב-2007 הצגנו את התנהגות התדר לזמן ארוך של אחד היחידות ההנדסיות המוקדמות ביותר של CSAC
SN084 אשר נבחנה בזמנו במשך כ-200 ימים והציגה סחיפה של כ-3×10-11 ליום. אנחנו מוסיפים לבחון את ביצועי ה-SN084, אשר פעלה נכון להיום ברציפות במשך קרוב ל-1000 ימים.
איור 5 מציג את הרישום המלא של נתוני התדר של ה-SN084. יש מספר “קפיצות” והפסקות בשל ניתוקי כוח במעבדה שלנו, שדרוגי ציוד וכד’. חשוב לציין, אולם, שהיחידה לא איבדה מעולם נעילה באופן ספונטני. במהלך השנתיים האחרונות, יישון התדר הממוצע היה 8×10-13 ליום (כ-2.5×10-11 לחודש), דבר התואם את המדידות במהלך פרק הזמן הרצוף האחרון שלנו, שהוא גם 8×10-13 ליום.

IV.מערכת פולס אחד בשנייה
ביישומים פוטנציאליים רבים, ה-CSAC משמש כמקור תזמון לזמן-ארוך, ולא כייחוס תדר. בד”כ יישומים אלה דורשים מוצא של 1 פולס-לשנייה מדויק מה-CSAC ובאופן אידיאלי, שיטה לשמור על הזמן של היום (time-of-the-day-TOD). דבר זה מאפשר למערכת המארחת להישאר בהמתנה במשך זמן רב ולהתעורר כאשר הדבר דרוש לפעולות.

A.סנכרון ושמירת הזמן
ה-CSAC מפיק מוצא של 1 פולס-לשנייה על-ידי חלוקה דיגיטלית של מוצא שעון ה-10 מגה-הרץ בגורם של 107 ויצירה של פולס מוצא כל פעם שהמחלק מתהפך. אות פסיקה סינכרוני מופק אל המיקרו-מעבד המעלה את ערך ה-TOD. לפי דרישה, ערך ה-TOD מדווח דרך RS232, בצורה סינכרונית עם מוצא ה-1 פולס בשנייה, כך שהמערכת המארחת יכולה לשלב במדויק את ה-TOD עם פרק זמן מסוים.
כדי לסנכרן את ה-TOD של ה-CSAC עם מקור ייחוס חיצוני, כגון המוצא של מקלט GPS, מעבירים פולס של 1 PPS לפין “מבוא 1PPS” של ה-CSAC. ה-CSAC מאפס את מונה ה-חלוקה ב-107 כך שהמוצא 1PPS מסונכרן עם הקצה העולה של ה-10 מגה-הרץ הקרוב ביותר ל-1 PPS  של המבוא. דיוק הסנכרון מוגבל ל- ±50 ns על-ידי המחזור (100 ננו-שניות) של ה-10 מגה-הרץ.
איור 6 מראה את התוצאות המדודות של 800 ניסיונות לסנכרן לפולס חיצוני של 1PPS המשתנה כמו-אקראית. כמצופה, הפילוג הוא בעיקר שטוח-גג עם שגיאה הנעה בין -50 ננו-שניות ל-+50 ננו-שניות.

B.מדידת פרק-הזמן של 1 PPS.
אנחנו מימשנו משרבב (interpolator) של מופע אנלוגי לשם שיפור הרזולוציה של הפרש הזמן בין ה-1PPS של ה-CSAC וה-1 PPS המופק מבחוץ, מעבר לגבול ה-100 ננו-שניות המוכתב על-ידי מונה ה-10 מגה-הרץ. מתח אנלוגי מיוצר על-ידי מעגל סוכם ומטיל (integrate and-dump) פשוט והוא יחסי להפרש הזמן בין שני הפולסים 1PPS. המעגל האנלוגי מספק מתח בסקלה מלאה שווה-ערך ל-2 מיקרו-שניות, המודגם על-ידי ממיר אנלוגי-לדיגיטלי -12 ביט, ויוצר רזולוציה יעילה בדיגיטציה של 2μs/212 ≈ 500ps .  הוספת משרבב המופע מוסיפה 250 מיקרו-ואט למאזן ההספק הכולל של ה-CSAC.
איור 7 מראה את יציבות הבדיקה העצמית של משרבב המופע, כאשר מוצא ה-  1PPSמה-CSAC חובר למבוא ה-1PPS. ה-intercept של שנייה אחת הוא
σγ(τ = 1) = 4 x 10-10, המראה רזולוציית מדידה של ΔT=400 ps. עם עליית זמן המיצוע, היציבות משפרת את σy∝ τ-1 כלומר בתור רעש מופע לבן, המשקף את שגיאת הדיגיטציה של ה-ADC.

C.כיול והטלת “משמעת” על 1PPS
מסנן-לולאה פרופורציוני-אינטגרלי (PI) בעל קבוע-זמן מתכוונן, צורף לקושחה של ה-CSAC כך שה-CSAC יוכל להטיל משמעת על עצמו, הן במופע והן בתדר, לפי ה-1PPS החיצוני.
יישום אחד של “אלגוריתם המשמעת” הוא לספק כיול שדה מדויק של ה-CSAC. אם מקור ייחוס של 1PPS זמין בעל יציבות העולה על זו של ה-CSAC, אזי הזמן לכיול מוגבל בעיקר על-ידי יציבות ה-CSAC הוא
σγ(τ) ≈ 10-10 τ-1/2.
איור 8 מראה דוגמה של CSAC המכייל את עצמו לפי מקור ייחוס חיצוני של .1PPS במקרה זה, ה-CSAC הוצא מהכיוון במתכוון לפני הניסוי ב-∆Ў = 10-9. מתח הייחוס של 1PPS חובר ב-T= 40 sec , אחרי כ-50 ננו-שניות של שגיאת מופע מצטברת. עם קבוע זמן המשמעת נקבע ל- τ =5 s, ה-CSAC מכויל בדיוק של
∆Ў < 10-11 בתוך 30 שניות.
יישום שימושי נוסף של פונקצית ה”משמעת” הוא לאפשר את השימוש ב-CSAC כמתנד “ממשיך”  או מנקה GPS, כאשר ה-CSAC מועבר למוצא ה-1PPS של מקלט GPS כדי לשפר את היציבות לזמן קצר שלו ולספק רציפות במקרה של כשל ה-GPS.
במקרה זה, הרעש הנמדד על-ידי המשרבב נשלט על-ידי היציבות החלשה יחסית של מקלט ה-GPS, לרוב σγ(τ) = 10-8 τ-1  . כדי למנוע את הפחתת יציבות ה-CSAC בזמן קצר, קבוע הזמן של המשמעת נקבע ל- τ ~5000 sec , שם תהליכי הרעש של ה-GPS וה-CSAC מצטלבים.
איור 9 מראה את יציבות CSAC הנעול למוצא 1PPS של מקלט GPS Novatel. עבור פרקי מיצוע קצרים, τ <1000 sec, היציבות משקפת את התנהגות
ה-σγ(τ) = 10-10τ-1/2      של ה-CSAC. עבור פרקי מיצוע ארוכים יותר, היציבות משקפת את התנהגות
ה- σγ(τ) = 10-8 τ–1 של מקלט  ה-GPS.

V.מוד ההספק הנמוך ביותר
המימוש השוטף של ה-CSAC צורך פחות מ-100 מילי-ואט של הספק, דבר המאפשר את שימושו במספר יישומים חדשים, הדורשים תזמון אטומי ביישומים ניידים מוזני-סוללה. על אף זאת, קיימים יישומים הדורשים הספק עוד יותר נמוך, במיוחד אלה הדורשים חישה לא-מאוישת באתרים מרוחקים. לרוב, יישומים אלה מנצלים את דיוק התזמון ארוך-הזמן של ה-CSAC ולא את היציבות לזמן קצר שלו.
אנחנו פיתחנו מוד להספק הנמוך ביותר (ultra-low power – ULP) של פעולה עבור ה-CSAC. במוד ה-ULP, בקרי המארז הפיזי ומסנתז המיקרוגל מוזנים נמוך רוב הזמן ומוצא השעון מסופק על-ידי ה-TCXO הרץ חופשי. המארז מוזן במלואו בקצרה באופן מחזורי וה-TCXO מכויל מחדש. באופן זה, ה-CSAC מציג את היציבות לזמן קצר של TCXO עם מאפייני הסחיפה לזמן ארוך של שעון אטומי, תוך צריכת הספק משמעותית יותר נמוכה.
שיטה זו של הקטנת צריכת ההספק הוצעה במקור ב-1986 כ-”RbXO” על-ידי W. J. Riley ו-J. R. Vaccarro [6] עבור מתנדי רובידיום רגילים (RBO). הצלחת ה-RbXO הייתה מוגבלת מאחר שעיצוב מארז ה-RBO אורך זמן ממושך יחסית (כ-15 דקות) וצורך הספק גבוה (X3 ברגיעה). אולם טכניקה זו מתאימה מאוד ל-CSAC, המשיג נעילה בפחות מ-2 דקות ודורש רק כ-110 מילי-ואט ברכישה הראשונית.
איור 10 היא רישום התדר של CSAC הפועל במוד ULP. בדוגמה זו, המארז והמסנתז מוזנים במשך 4 דקות מידי שעה. החיצים הירוקים מצביעים על פרקי הזמן של כ-2 דקות במהלכם ה-TCXO ננעל להתקן. הספק הממוצע בזמן של ה-CSAC הפועל במוד זה הוא פחות מ-2- מילי-ואט.
איור 11 משווה את שגיאת התזמון המצטברת עבור CSAC הפועל כשורה (ירוק), הפועל במוד ULP (אדום) והפועל עם לולאה פתוחה של ה-TCXO (כחול). הנתונים נלקחו עם CSAC יחיד, רק עם מוד פעולה שונה. עבור כל מדידה השעון כויל תחילה במופע ותדר.

VI.סיכום
מאז הדיווח הקודם שלנו ב-EFTF/IFCS 2007, המשכנו לפתח את האלקטרוניקה והקושחה של ה-CSAC. צריכת ההספק הכוללת של ה-CSAC הוקטנה לפחות מ-100 מילי-ואט. באותו הזמן, היציבות לזמן קצר שופרה פי 2-3, בעיית התחזיר הבי-מודלי נפתרה, והוספנו מערכת מדידה של מבוא, מוצא ומדידת מופע 1PPS. הצגנו מוד פעולה בהספק נמוך ביותר בו ה-CSAC מציג יציבות לזמן קצר של TCXO הרץ חופשי עם היציבות לזמן ארוך של שעון אטומי תוך צריכה של פחות מ-20 מילי-ואט הספק.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת פוקוס טלקום