現(xiàn)如今TCXO晶振和OCXO晶振的應用需求越來越大,尤其是TCXO溫度補償晶體振蕩器,每個人都在用的智能手機里也有它,常用的產(chǎn)品包括有無線通信基站,GPS/北斗系統(tǒng),對講機,導航定位,雷達,超算等.在數(shù)字系統(tǒng)中,也能時鐘看到TCXO振蕩器的身影.而OCXO則是更高端的產(chǎn)品應用的,因為OCXO穩(wěn)定性是所有振蕩器類型中比較高的,而且?guī)缀趺靠疃季哂械拖嘣?/span>,低抖動特性,部分擁有高Q值,低G靈敏度等優(yōu)良的功能.

許多數(shù)字應用依靠冷卻系統(tǒng)將工作溫度保持在設計限制范圍內(nèi),對于工業(yè)應用,通常為-40°C至+85°C.但冷卻系統(tǒng)可能會出現(xiàn)故障,例如風扇出現(xiàn)故障,這可能導致環(huán)境溫度升高到系統(tǒng)設計極限以上,在某些情況下會導致極端值達到或超過+125°C.理想情況下,系統(tǒng)應在這些故障條件下保持正常運行.持續(xù)運行對于許多系統(tǒng)而言可能是至關(guān)重要的,例如蜂窩基站應維持基本服務以支持緊急呼叫.因此系統(tǒng)設計人員應選擇組件以實現(xiàn)最大可靠性.任何數(shù)字系統(tǒng)中最重要的組件之一是振蕩器.它為整個系統(tǒng)提供同步信號,因此有時被稱為’系統(tǒng)的心跳’.就像人體中的心臟一樣,石英振蕩器的故障將導致整個系統(tǒng)失效.

汽車級晶體振蕩器(XO)可以在高達+125°C的溫度下工作,并且可以滿足許多應用的要求.但是,溫度控制晶體振蕩器(TCXO)和恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)等精密振蕩器在+85°C以上工作是很少見的,很難找到.對于某些應用,例如同步以太網(wǎng)(SyncE),IEEE 1588以及為蜂窩基站提供回程服務的電信邊界/從時鐘,了解這些設備如何在其額定溫度范圍之外運行以確定何種應用非常重要在故障條件下系統(tǒng)可以維持服務的程度.為此,本應用筆記提供了在超過+70°C/+85°C的溫度下各種TCXO和OCXO振蕩器行為的數(shù)據(jù)和分析,基于兩種技術(shù)的測試設備:MEMS(微機電系統(tǒng))和傳統(tǒng)石英.

石英基TCXO和OCXO的穩(wěn)定性降解

SiTime基于MEMS的TCXO和OCXO器件以及基于石英的TCXO和OCXO器件在溫度上限以外進行了測試,以研究它們的行為.額定溫度為+85°C的TCXO器件測試溫度為+125°C;額定溫度為+70°C的器件測試溫度為+105°C.額定溫度為+85°C的OCXO器件測試溫度為+105°C.

石英基器件的穩(wěn)定性在額定溫度限制之外迅速降低.在+125°C時,頻率變化率從+85°C至+95°C之間的10ppb/°C增加至近3000ppb/°C.相比之下,基于MEMS的SiTime Elite Platform Super-TCXO器件(SiT5356)優(yōu)雅地改變頻率,其頻率與溫度斜率(F/T)相比優(yōu)于2ppb/°C,最高可達+105°C,并且僅增加到在+125°C時為8ppb/°C.從+85°C到125°C的總頻率變化僅為50ppb.

圖1:TCXO從+85°C到+125°C的穩(wěn)定性.值是指+85°C時的頻率偏移.DUT:5個工業(yè)溫度額定TCXO器件.

系統(tǒng)影響

TCXO和OCXO是高精度器件,TCXO的穩(wěn)定性達到50ppb級,Stratum3E級OCXO的穩(wěn)定性達到5ppb級.這些設備用于需要高穩(wěn)定性頻率參考且對系統(tǒng)性能至關(guān)重要的蜂窩基站等應用.由于冷卻系統(tǒng)故障以及溫度升高到工作溫度范圍以上的可能性,非常希望在這些事件期間保持一定水平的系統(tǒng)功能.除了涵蓋故障情況外,OCXO和TCXO振蕩器的擴展溫度操作可以實現(xiàn)更加可靠的系統(tǒng),根本不需要冷卻風扇.

對于IEEE1558應用,這種頻率斜率降低表現(xiàn)為動態(tài)時間誤差降級.時間誤差累積的速度比低帶寬IEEE1588環(huán)路能夠趕上并且超出規(guī)格.對于基站,這會導致呼叫掉線或呼叫質(zhì)量下降.通常,由于冷卻系統(tǒng)故障導致的快速溫度升高將使高頻與溫度斜率轉(zhuǎn)換為高頻率與時間斜率,這將導致許多系統(tǒng)的故障.同步應用,如SyncE和IEEE1588,對系統(tǒng)時鐘頻率變化具有高通頻率響應,系統(tǒng)時鐘頻率的快速變化將不會被跟蹤,并將對SyncEPLL輸出頻率和整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生直接的有害影響.

本應用筆記中顯示的測試結(jié)果清楚地表明,SiTime晶振時序解決方案是容錯和擴展溫度系統(tǒng)的最佳選擇.如果溫度超出額定范圍,基于石英的解決方案會迅速失去穩(wěn)定性.在SyncE應用程序的情況下,這種穩(wěn)定性降級可能有幾個含義,具體取決于降級的嚴重程度.對于本地振蕩器的大ppm級降級,PLL可能會解鎖,導致完全同步丟失和系統(tǒng)故障,包括掉線和數(shù)據(jù)丟失.頻率穩(wěn)定性的降低也意味著可比較的頻率斜率增加.本地振蕩器每1°C的溫度變化會更快地改變頻率.這意味著在通過低帶寬PLL(如SyncEPLL)跟蹤之前會累積更多錯誤.這導致了數(shù)據(jù)傳輸中的規(guī)范和多次滑動.

與石英器件相比,SiTime基于MEMS的Elite平臺Super-TCXO和Emerald Platform Stratum3E OCXO具有優(yōu)雅的低F/T變化.即使溫度變化,也可以避免大的頻率瞬變.即使在額定溫度范圍之外運行,低穩(wěn)定性降級也可以防止系統(tǒng)解鎖并在時間誤差規(guī)范內(nèi)保持性能.這種對高溫和快速熱變化的抵抗力以及對SiTime MEMS硅晶振的沖擊和振動的固有彈性,使這些定時解決方案能夠保持額定穩(wěn)定性并提供連續(xù)的系統(tǒng)操作.

SiTimeElite平臺Super-TCXO和SiTime Emerald Platform OCXO晶振具有極強的彈性和對環(huán)境壓力因素的穩(wěn)健性,如沖擊,振動和快速溫度變化.在這些條件下,SiTime基于MEMS的產(chǎn)品在系統(tǒng)溫度超過正常工作極限時保持頻率穩(wěn)定性和低F/T斜率.這種性能使設計人員能夠構(gòu)建能夠在擴展溫度范圍內(nèi)可靠運行的系統(tǒng),并且即使在冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障等故障時也能提供連續(xù)的系統(tǒng)操作.這種穩(wěn)健性在下一代通信系統(tǒng)中變得越來越重要,因為5G基礎設施將部署在室外和控制較少的惡劣位置.SiTime強大的計時技術(shù)將成為首選解決方案,因為它在這些環(huán)境中表現(xiàn)出色.