SiTime振荡器TCXO和OCXO稳定性下降SiT1533AI-H4-D14-32.768S

SiTime振荡器TCXO和OCXO稳定性下降SiT1533AI-H4-D14-32.768S

1.介绍

许多数字应用依赖冷却系统将工作温度保持在设计范围内，通常为-40°C至+85°C工业应用。但是冷却系统可能会出现故障，例如风扇出现故障，这可能会导致环境温度超过系统设计极限，在某些情况下会达到或超过+125℃的极端值。理想情况下，系统应在这些故障条件下保持正常运行。对于许多系统来说，保持连续运行是至关重要的，例如蜂窝基站应保持基本服务以支持紧急呼叫。因此，系统设计人员应该选择能够实现最大可靠性的元件。

任何数字系统最重要的组件之一是晶体振荡器。它为整个系统提供同步信号，因此有时被称为“系统的心跳”就像人体的心脏一样，振荡器的故障会导致整个系统失灵。

汽车级晶体振荡器（XO）的工作温度最高可达+125°C，能够满足许多应用的要求，这种振荡器很常见。但是精密振荡器，例如温控晶体振荡器（TCXOs）工作温度高于+85°C的恒温晶体振荡器（OCXOs）非常罕见。对于某些应用，例如同步以太网（SyncE）、IEEE 1588和为蜂窝基站提供回程服务的电信边界/从时钟，必须了解这些设备在其额定温度范围之外的工作情况，以便确定系统在故障条件下能够维持服务的程度。

为此，本应用笔记提供了温度超过+70°C/+85°C时各种TCXO和OCXO石英晶振行为的数据和分析，测试基于两种技术的器件:MEMS（微电子机械系统）和传统石英.

2.石英基TCXOs和OCXOs的稳定性退化

在温度上限之外对基于SiTime MEMS的TCXO和OCXO器件以及基于石英的TCXO和OCXO器件进行了测试，以研究它们的行为。额定温度为+85°C的TCXO器件在+125°C下进行了测试；额定温度为+70°C的器件的测试温度为+105°C .额定温度为+85°C的OCXO器件的测试温度为+105°C

图1-2和图5-6显示了TCXO温补晶振装置的稳定性结果。石英基器件的稳定性在额定温度极限之外迅速下降。频率变化率从+85°C和+95°C之间的10 ppb/ C增加到+125°C时的近3000 ppb/ C（见图3-4和7-8）。相比之下，基于MEMS的SiTime Elite Platform超级TCXO器件（SiT5356）频率变化平稳，频率与温度的斜率（δF/δT）在最高+105°C时优于2 ppb/°C，在+125°C时仅上升至8 ppb/°C，从+85°C到125°C的总频率变化仅为50 ppb。

图3:从+85°C至+125°C的TCXO频率与温度斜率的关系。这些值是指+85°C时的频率偏移。DUT: 5个额定工业温度的TCXO器件。

在测试OCXO恒温晶振设备时观察到类似的行为（见图9-10）。当温度超出额定温度范围4°C至8°C时，石英器件的稳定性开始下降，δF/δT从3 ppb/ C下降至30 ppb/ C（见图11-12）。相比之下，基于less的SiTime Emerald Platform OCXO（sit 5711）器件在高达+105°C的温度下保持额定稳定性，频率斜率小于0.5 ppb/°C。

有关基于石英的器件和基于SiTime MEMS的器件的更多数据，请参考附录。

3.系统影响

TCXO和OCXOs是高精度器件，TCXO的稳定性达到50ppb级，而3E级OCXO恒温晶体振荡器地层。这些器件用于蜂窝基站等需要高稳定性频率基准且对系统性能至关重要的应用。由于冷却系统出现故障，温度可能会升至工作温度范围以上，因此非常需要在这些事件期间保持一定水平的系统功能。除了涵盖故障情况外，OCXOs和TCXOs的扩展温度操作可能使系统更加可靠，完全不需要冷却风扇。

本应用笔记中显示的测试结果清楚地表明，SiTime时序解决方案是容错和扩展温度系统的最佳选择。如果温度超出其额定范围，基于石英的解决方案会迅速失去稳定性。在SyncE应用程序的情况下，根据降级的严重程度，这种稳定性降级可能有多种影响。对于本振的大ppm级降级，PLL可能会失锁，导致完全同步丢失和系统故障，包括掉话和数据丢失。频率稳定性的下降也意味着频率斜率的增加。温度每变化1°C，石英晶体振荡器的频率变化就会加快。这意味着在低带宽PLL（如SyncE PLL）跟踪误差之前会积累更多误差。这导致漂移超出规格，并在数据传输中出现多次滑动。

对于IEEE 1558应用，这种频率斜率退化表现为动态时间误差退化。时间误差累积的速度快于低带宽IEEE 1588环路的速度，并且超过了规格。对于基站来说，这会导致掉线或通话质量下降。

一般来说，由于冷却系统故障导致的温度快速升高会将高频温度斜率转换为高频时间斜率，这将导致许多系统出现故障。SyncE和IEEE 1588等同步应用对系统时钟频率变化具有高通频率响应，系统时钟频率的快速变化不会被跟踪，并且会对SyncE PLL输出频率和整体系统性能产生直接的有害影响。

与石英器件相比，基于SiTime MEMS的Elite Platform Super-tcxo和Emerald Platform Stratum 3E ocxo具有优美的低δF/δT变化。即使温度发生变化，也能避免较大的频率瞬变。即使在额定温度范围之外工作，低稳定性退化也会阻止系统解锁并将性能保持在时间误差规格范围内。这种对高温和快速热变化的免疫力，加上SiTime可编程晶振MEMS振荡器对冲击和振动的固有弹性，使这些时序解决方案能够保持额定稳定性并提供连续的系统运行。

4.结论

SiTime Elite Platform Super-TCXOs和SiTime Emerald Platform OCXOs对冲击、振动和快速温度变化等环境压力表现出了极强的弹性和鲁棒性。在这些条件下，当系统温度超过正常工作限值时，SiTime基于MEMS的产品可保持频率稳定性和低δF/δT斜率。这种性能使设计人员能够构建能够在扩展温度范围内可靠运行的系统，即使在冷却系统故障等故障期间也能提供连续的系统运行。

这种稳健性在以下方面变得越来越重要下一代通信系统因为5G基础设施将部署在户外和控制较少的崎岖地区。SiTime强大的计时技术将成为选择的解决方案因为它在这些环境中表现出色。

附录

本附录包括温度高于温度上限时的稳定性和频率与温度的斜率数据，涵盖更广泛的样本集，提供统计数据和器件间差异数据。