許多數(shù)字應(yīng)用依靠冷卻系統(tǒng)將工作溫度保持在設(shè)計(jì)限制范圍內(nèi),對(duì)于工業(yè)應(yīng)用,通常為-40°C至+85°C.但冷卻系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)故障,例如風(fēng)扇出現(xiàn)故障,這可能導(dǎo)致環(huán)境溫度升高到系統(tǒng)設(shè)計(jì)極限以上,在某些情況下會(huì)導(dǎo)致極端值達(dá)到或超過(guò)+125°C.理想情況下,系統(tǒng)應(yīng)在這些故障條件下保持正常運(yùn)行.持續(xù)運(yùn)行對(duì)于許多系統(tǒng)而言可能是至關(guān)重要的,例如蜂窩基站應(yīng)維持基本服務(wù)以支持緊急呼叫.因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇組件以實(shí)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石英晶體振蕩器.它為整個(gè)系統(tǒng)提供同步信號(hào),因此有時(shí)被稱(chēng)為“系統(tǒng)的心跳”.就像人體中的心臟一樣,振蕩器的故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效.
汽車(chē)級(jí)晶體振蕩器(XO)可以在高達(dá)+125°C的溫度下工作,并且可以滿(mǎn)足許多應(yīng)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(jiàn)的,很難找到.對(duì)于某些應(yīng)用,例如同步以太網(wǎng)(SyncE),IEEE1588以及為蜂窩基站提供回程服務(wù)的電信邊界/從時(shí)鐘,了解這些設(shè)備如何在其額定溫度范圍之外運(yùn)行以確定何種應(yīng)用非常重要在故障條件下系統(tǒng)可以維持服務(wù)的程度.為此,本應(yīng)用筆記提供了在超過(guò)+70°C/+85°C的溫度下各種TCXO溫補(bǔ)晶振和OCXO恒溫晶振行為的數(shù)據(jù)和分析,基于兩種技術(shù)的測(cè)試設(shè)備:MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))和傳統(tǒng)石英.
石英基TCXO晶振和OCXO晶振的穩(wěn)定性降解:
SiTime晶振基于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(jìn)行了測(cè)試,以研究它們的行為.額定溫度為+85°C的TCXO器件測(cè)試溫度為+125°C;額定溫度為+70°C的器件測(cè)試溫度為+105°C.額定溫度為+85°C的OCXO器件測(cè)試溫度為+105°C.
圖1-2和圖5-6顯示了TCXO器件的穩(wěn)定性結(jié)果.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(shí),頻率變化率從+85°C至+95°C之間的10ppb/°C增加至近3000ppb/°C(參見(jiàn)圖3-4和7-8).相比之下,基于MEMS的SiTimeElitePlatformSuper-TCXO溫補(bǔ)晶振器件(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(dá)+105°C,并且僅增加到在+125°C時(shí)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(shí)的頻率偏移.

DUT:5個(gè)工業(yè)溫度額定TCXO設(shè)備.

圖2:TCXO從+85°C到+125°C的穩(wěn)定性.值是指+85°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:5個(gè)工業(yè)溫度額定TCXO設(shè)備,水平放大.

圖3:TCXO頻率與溫度斜率從+85°C到+125°C.值是指+85°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:5個(gè)工業(yè)溫度額定TCXO設(shè)備.

圖4:TCXO頻率與溫度斜率從+85°C到+125°C.
DUT:5個(gè)工業(yè)溫度額定TCXO設(shè)備.水平放大.

圖5:TCXO在+70°C至+105°C范圍內(nèi)的穩(wěn)定性.值是指+70°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:2個(gè)商用溫度額定TCXO溫補(bǔ)晶振設(shè)備

圖6:從+70°C到+105°C的TCXO穩(wěn)定性.值是指+70°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:2個(gè)商用溫度額定TCXO設(shè)備.水平放大.

圖7:TCXO頻率與溫度斜率從+70°C到+105°C.
DUT:2個(gè)商用溫度范圍的TCXO設(shè)備.

圖8:TCXO頻率與溫度斜率從+70°C到+105°C.在測(cè)試OCXO晶振設(shè)備時(shí)觀察到類(lèi)似的行為(見(jiàn)圖9-10).在溫度超出額定溫度范圍4°C至8°C后,石英基器件的穩(wěn)定性開(kāi)始下降.ΔF/ΔT從3ppb/°C降至30ppb/°C(見(jiàn)圖11-12).相比之下,基于MEMS的SiTimeEmeraldPlatformOCXO(SiT5711)器件的額定穩(wěn)定性可達(dá)+105°C,頻率斜率小于0.5ppb/°C.

圖9:OCXO從+85°C到+105°C的穩(wěn)定性.值是指+85°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:4個(gè)工業(yè)溫度額定值的OCXO器件.

圖10:OCXO性能從+85°C到+105°C.值是指+85°C時(shí)的頻率偏移.
DUT:4個(gè)工業(yè)溫度額定值的OCXO器件.水平放大.

圖11:OCXO頻率與溫度斜率從+85°C到+105°C.
DUT:4個(gè)工業(yè)溫度額定值的OCXO器件.

圖12:OCXO頻率與溫度斜率從+85°C到+105°C.
DUT:4個(gè)工業(yè)溫度額定值的OCXO器件.水平放大.

系統(tǒng)影響:
TCXO和OCXO是高精度器件,溫補(bǔ)振蕩器的穩(wěn)定性達(dá)到50ppb級(jí),Stratum3E級(jí)OCXO的穩(wěn)定性達(dá)到5ppb級(jí).這些設(shè)備用于需要高穩(wěn)定性頻率參考且對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要的蜂窩基站等應(yīng)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的擴(kuò)展溫度操作可以實(shí)現(xiàn)更加可靠的系統(tǒng),根本不需要冷卻風(fēng)扇.
本應(yīng)用筆記中顯示的測(cè)試結(jié)果清楚地表明,SiTime時(shí)序解決方案是容錯(cuò)和擴(kuò)展溫度系統(tǒng)的最佳選擇.如果溫度超出額定范圍,基于石英晶振的解決方案會(huì)迅速失去穩(wěn)定性.在SyncE應(yīng)用程序的情況下,這種穩(wěn)定性降級(jí)可能有幾個(gè)含義,具體取決于降級(jí)的嚴(yán)重程度.對(duì)于本地振蕩器的大ppm級(jí)降級(jí),PLL可能會(huì)解鎖,導(dǎo)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(huì)更快地改變頻率.這意味著在通過(guò)低帶寬PLL(如SyncEPLL)跟蹤之前會(huì)累積更多錯(cuò)誤.這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸中的規(guī)范和多次滑動(dòng).
對(duì)于IEEE1558應(yīng)用,這種頻率斜率降低表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差降級(jí).時(shí)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(duì)于基站,這會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(shí)間斜率,這將導(dǎo)致許多系統(tǒng)的故障.同步應(yīng)用,如SyncE和IEEE1588,對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率變化具有高通頻率響應(yīng),溫補(bǔ)晶振系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的快速變化將不會(huì)被跟蹤,并將對(duì)SyncE PLL輸出頻率和整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生直接的有害影響.
與石英器件相比,SiTime基于MEMS的Elite平臺(tái)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(yùn)行,低穩(wěn)定性降級(jí)也可以防止系統(tǒng)解鎖并在時(shí)間誤差規(guī)范內(nèi)保持性能.這種對(duì)高溫和快速熱變化的抵抗力以及對(duì)MEMS 0scillator的沖擊和振動(dòng)的固有彈性,使這些定時(shí)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.

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