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SiTime OCXO与TCXO超过极限高温时保持稳定频率输出

SiTime OCXO与TCXO超过极限高温时保持稳定频率输出

    想象一下,在一个只有一个蜂窝塔的偏远地区,当无线基础设施发生故障时需要拨打紧急电话! 失败可能是由同步和定时问题引起的,因为每个新一代无线通信的时序要求都会受到更大的压力。

    当需要精确的稳定性时 - 就像无线基础设施设备一样 - 设计人员经常转向TCXO(温度振荡器*)和OCXO(恒温晶振)。这些振荡器设计用于在温度变化时提供更好的频率稳定性。高温和高温变化是造成振荡器不稳定的主要原因。然而,TCXO和OCXO很难在额定工作温度高于+ 85°C时被找到,通常被认为是工业应用的上限。85°C可能看起来很高,但在当今更密集的操作环境中,系统机箱中的环境温度会迅速升高。例如,电信和网络设备在密集的热环境中运行。这些系统中的许多系统使用主动冷却 - 无刷直流风扇,这是最常用的 - 将温度保持在规定的工作范围内。


    与主机系统中的电子组件相比,具有较低MTBF的这些冷却风扇仍然不是安全可靠,并且可能由于多种原因而发生故障。由于存在这种风险,因此了解关键组件(例如为系统提供心跳的振荡器)在故障条件下的行为方式非常重要。


    推动极限:
    为此,我们推动了各种振荡器的极限,测量超出额定工作范围的稳定性。我们测试了额定温度为+ 85°C的TCXO器件并将其推至+ 125°C,并测试了额定温度为+ 85°C,最高温度为+ 105°C的OCXO。下图显示了在这些较高温度下产生的性能下降。在每次测试中,我们将SiTime MEMS振荡器(用绿线表示)与来自不同供应商的石英振荡器进行比较,所有这些都在同一类别中且具有相同的温度额定值。为了使比较更容易,每个器件的值在+ 85°C时从它们的频率开始,从同一点开始。



    上图显示了五个工业级TCXO器件的+ 85°C至+ 125°C的频率稳定性。基于MEMS的SiT5356 Elite Platform™Super-TCXO几乎没有降级。 相比之下,石英TCXO的稳定性降低到数万ppb范围。


    在垂直y轴上显示非常宽的偏移范围。在下图中,我们放大显示相同的测试,但在y轴上具有不同的比例,以更好地显示石英基器件的稳定性如何在额定温度范围之外快速降低。


    如上所示,通过以ppb(十亿分之一)为单位的偏移来测量的频率稳定性是振荡器的关键性能规范。精密振荡器的另一个重要指标是频率与温度斜率(ΔF/ΔT)。 在需要使用IEEE1588进行时间和频率传输的系统中,更好的ΔF/ΔT有助于改善时间误差。
    下图显示了相同的五个工业级TCXO器件的+ 85°C至+ 125°C的斜率(ΔF/ΔT)。同样,这些值是指+ 85°C时的频率偏移。 同样,石英基器件的稳定性在额定温度之外迅速降低。在+ 125°C时,频率变化率从+ 85°C至+ 95°C之间的10 ppb /°C增加至近3000 ppb /°C。 相比之下,基于MEMS的SiT5356在+ 125°C时的斜率优于2 ppb /°C,在+ 125°C时的斜率优于8 ppb /°C。 从+ 85°C到125°C的总频率变化仅为50 ppb.

    我们在测试OCXO设备时会看到类似的行为,如下图所示。在这里,我们比较了+ 85°C至+ 125°C的四种工业级OCXO器件的性能。在温度超过额定温度范围后,石英基器件的稳定性开始下降,而基于MEMS的SiT5711 Emerald Platform™OCXO保持稳定。

    下面我们显示相同的四个工业级OCXO器件的ΔF/ΔT,从+ 85°C到+ 125°C。 石英器件的频率斜率降低至30 ppb /°C。 相比之下,基于MEMS的SiT5711 OCXO保持额定稳定性高达+ 105°C,斜率小于0.5 ppb /°C。


    系统影响:

    冷却系统故障,因此在此类事件中使用能够承受高温并保持系统功能的定时解决方案非常重要。除了持久的故障条件外,OCXO和TCXO的扩展温度操作可以使系统更加强大和可靠,或根本不需要冷却风扇。由于5G基础设施部署在密度较大且控制较少的位置,因此在高温和其他恶劣条件下的恢复能力在下一代通信系统中变得越来越重要。由于振荡器在高温下“保持凉爽”,SiTime的定时技术可提供安装在恶劣环境中的设备所需的稳健性。

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