Epoch平台MEMS恒温晶振疑问解答

2024-07-23 15:43:563100

1. 振荡器与术语


1.1、什么是晶体?


晶体(X、Xtal)是一种以固定频率振动的被动谐振器。它可以是石英晶体或基于MEMS的。这些设备被用作集成电路(IC)的外部时钟参考,其中包含一个集成的振荡器电路(即片上时钟生成)。


1.2、什么是谐振器?


谐振器是一种被动器件,它以固定频率振动。有时也被称为晶体。它可以是石英晶体或基于MEMS的。谐振器(或晶体)器件用于作为集成有振荡电路(即片上时钟生成)的半导体IC的外部时钟参考。


1.3、什么是振荡器?


振荡器是一种使用谐振器和振荡电路来产生时钟信号的有源设备。基本的晶体振荡器(XOs)在不同的地区也被称为OSC和SPXO。典型的XOs温度稳定性变化范围在±10至±100ppm之间。


1.4、TCXO是什么?


TCXO是一种温补振荡器,是一种有源晶振。这些设备通常在工作温度范围内的频率稳定性为±0.05ppm至±5ppm。这些设备用于需要高精度时钟参考的应用,例如高性能电信和网络设备,包括小型蜂窝、同步以太网、光传输和GNSS模块。


1.5、OCXO 是什么?


OCXO 是“恒温振荡器”的缩写。这些设备具有非常高的稳定性,通常比±50 ppb 更好,更常见的范围是±0.5 到±20 ppb。OCXO 通过将晶体和温度传感器及补偿电路封装在加热金属外壳中,形成一个相对恒定温度的炉子来实现高稳定性。

双炉OCXO(一个炉子在另一个炉子内)可以达到<±0.5 ppb 的稳定性。OCXO 使用复杂的结构并消耗高功率,低等级OCXO的功率为350 mW,双炉OCXO的功率为2.5W。石英OCXO在性能上不稳定且容易出现故障。Epoch Platform™ MEMS 基OCXO的典型功率消耗为60°C环境温度下的420 mW,其可靠性远高于石英振荡器。


1.6、什么是特殊振荡器?


通过半导体技术,可以在上述有源振荡器电路中添加独特的功能。例如:

• SSXO - 扩频振荡器,采用扩频技术以减少电磁干扰。

• ISPXO - 系统内可编程振荡器,具有I2C/SPI接口,可在系统内动态更改振荡器输出频率。

• DCXO - 数字控制振荡器,通过数字方式精细调整振荡器输出频率并减少模拟噪声。

• FSXO - 频率选择振荡器,允许用户从预先编程到设备中的几个频率中选择并可在系统内动态更改这些频率。


1.7、什么是频率稳定性?


频率稳定性是振荡器的基本性能规格之一。该规格表示由于外部条件导致的输出频率偏离理想频率的程度。较低的频率稳定性值意味着输出频率偏离标称频率较小。频率稳定性通常以百万分之几(ppm)或十亿分之几(ppb)表示,参考标称输出频率。OCXO的稳定性通常由以下几个部分组成: 


• 初始容限:包括两次回流后的48小时内的焊接下沉在内的25°C时的初始频率 

• 温度稳定性:输出频率随环境温度变化的程度 

• 负载灵敏度:输出频率随振荡器驱动的负载变化的程度 

• 供电电压灵敏度:输出频率随供电电压变化的程度 

• 温度稳定性是OCXO最重要的频率稳定性因素。 

• 老化:随时间变化的频率偏移。对于良好的保持性能,低每日老化很重要。


1.8、振荡器使用的不同技术有哪些?


在MEMS技术出现之前,石英晶振是实现振荡器的主要技术。SAW(表面声波)主要用于高频、低抖动振荡器。  SiTime是第一家成功商业化MEMS振荡器的公司。自2007年以来,SiTime已发货超过30亿个MEMS振荡器。MEMS技术现在被广泛用于各种定时解决方案,包括超低噪声时钟发生器、超低功耗kHz XOs、超低差分XOs、在系统可编程XOs和超稳定TCXOs和OCXOs。


1.9、什么是Stratum?


Telecordia(现为爱立信的一部分)的GR-1244《用于同步网络的时钟:通用通用准则》定义了五个Stratum级别,用于表示特定网络性能水平所需的参考时钟的固有精度。Stratum级别越低,时钟的精度越高。 


• Stratum 1 

• Stratum 2 

• Stratum 3, 3E 

• Stratum 4


Stratum 3时钟在20年内的自由运行稳定性为±4.6 ppm,在24小时内的保持要求为±0.37 ppm,包括所有条件下的频率误差。OCXO和低等级OCXO都可以满足Stratum 3的要求。


1.10、Stratum 3E是什么?


Stratum 3E是Stratum 3的更精确版本,具有与Stratum 3相同的±4.6 ppm自由运行稳定性,但具有±12 ppb(百万分之十二)的24小时保持规格,比1.6节中讨论的Stratum 3精确了近31倍。OCXO是满足Stratum 3E要求所必需的,其最大的应用是电话交换局和移动基础设施网络。


1.11、Stratum 3E振荡器的关键参数是什么?  


• 频率稳定性 

• 频率斜率 

• 每日老化率 

• 阿伦方差(ADEV) 

• 无活动下降和微跳 

• 老化 

• 保持 

• 功耗


下面详细解释了这些参数。SiTime网站还提供了更详尽的“振荡器/定时术语表”。


1.12、为什么SiTime在其产品类别名称中使用“X”(例如OCXO)?


虽然SiTime的所有设备都使用MEMS技术(而不是石英晶体技术),但我们选择不在上述缩写中用“M”替换“X”,因为这些产品类别名称在市场上已经存在了几十年,并与某些定时功能相关联。因为SiTime器件提供了与之相同或更好的功能,因此继续使用这些众所周知的缩写词可以减少混淆。


1.13、阿伦偏差(ADEV)是什么?


阿伦偏差也被称为短期频率稳定性,它是在时域中衡量振荡器稳定性的一种指标。它代表了一段称为平均时间的时间间隔内的频率变化。阿伦偏差是通过计算连续频率测量的均方根(RMS)变化来计算的。平均时间通常在几毫秒到数千秒之间,具体取决于目标应用。阿伦偏差的公式如下,其中y值代表相邻时钟周期之间的分数频率偏差,M是样本大小。


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阿伦偏差常用于时钟振荡器,因为它在更多类型的振荡器噪声中收敛,相比之下,标准偏差只适用于某些类型的噪声。阿伦偏差适用于多种随机噪声,包括白相位调制、闪烁相位调制、白频率调制、闪烁频率调制和随机步进频率。除了这些类型的随机噪声外,阿伦偏差还考虑了振荡器的系统性每日老化效应。可以通过一种称为哈达玛偏差(HDEV)的类似度量来消除每日老化效应,从而仅保留振荡器的随机噪声源。


1.14、“holdover”指的是什么?


根据GR-1244的规定,“holdover”模式是指时钟在失去参考信号后,利用正常工作模式下获取的数据(即“holdover值”)来控制输出信号的运行状态。通常情况下,时钟在“holdover”模式下使用的存储数据或“holdover值”是通过一段时间(以减少正常工作模式下参考频率可能出现的短期波动的影响)获取的平均值。在现实世界条件下实现可靠的“holdover”功能对于在常规时间参考中断的情况下保持服务连续性至关重要。  


在实践中,“holdover”通常被定义为在指定时间内累计的时间误差。对于5G基站基础设施,指定的时间范围是±1.5微秒,这是正常运行所需的时间对齐。基站通常会努力在±1.5微秒的时间范围内实现至少8小时以上的“holdover”。3GPP对这一指标的术语是“时间对齐误差”(TAE)。这±1.5微秒是系统预算,在移动交换中心和远程无线电头之间的网络节点通常会有更严格的要求,以便在远程无线电头之间满足±1.5微秒的整体系统预算。振荡器的保持性能由三个组件决定:温度变化引起的频率变化斜率(ΔF/ΔT)、每日老化率和随机振荡器噪声。每日老化率和随机振荡器噪声都包含在振荡器的ADEV中。


1.15、频率与温度斜率是什么?


频率与温度斜率,也称为ΔF/ΔT,是指温度每升高或降低1°C时频率的变化量。它量化了振荡器输出频率对工作温度点附近小温度变化的敏感度。这是精密TCXO和OCXO的主要性能指标之一,决定了振荡器是否稳定,足以满足目标应用的需求。在一定温度范围内,较小的频率与温度斜率值意味着由于温度变化引起的频率变化更小。在需要使用IEEE 1588进行时间和频率传输的系统中,更好的(更低的)频率与温度斜率有助于改善恢复的IEEE 1588时钟的时间误差和精度。测量单位为ppm/°C或ppb/°C。


1.16、日老化率是什么?


日老化率是在24小时内系统频率变化的幅度,单位为ppb/day。OCXO的老化是决定保持性能的三个主要指标之一。大多数振荡器的老化主要来自两个来源的变化:谐振器和封装的应力特性。虽然石英晶体会随时间老化,但SiTime独特的MEMS EpiSeal®工艺可产生完全光滑、均匀的谐振器,没有导致谐振器老化的应力缺陷。此外,SiTime在封装工程方面进行了多项创新,以最小化关键振荡器组件(包括CMOS和附接材料)的应力特性的变化。与ADEV中包含的随机噪声源不同,振荡器的老化是可预测的,可以补偿以实现更长的保持性能。


2、 产品、市场与技术概述


2.1、什么是Epoch平台?


Epoch平台是一种先进的MEMS基温控振荡器组。它包括适用于通信、企业和工业应用的SiT58XX系列以及为航空航天和国防应用而设计的耐用型SiT71XX系列。Epoch平台设备是业内最小的(9毫米x7毫米)Stratum 3E级OCXO,具有高达±1 ppb的低温度稳定性和±0.02 ppb/°C的频率斜率(ΔF/ΔT),在现实世界条件下可提供最佳的保持时间,从而实现2倍更好的服务连续性。该设备旨在实现最佳动态性能。利用SiTime独特的DualMEMS®和TurboCompensation®温度传感技术,它可以在环境应力(如气流、温度扰动、振动、冲击和电磁干扰(EMI))存在的情况下提供最稳定的定时。


2.2、Epoch平台是如何工作的?


Epoch平台结合了MEMS谐振器系统和全球最精确的温度传感器,并采用了专有的温度补偿方案和低噪声频率合成器,以及加热控制系统,从而实现了出色的动态稳定性、超低抖动和宽频率范围。


时代平台的四大关键要素包括:


• 坚固可靠且经过验证的TempFlat MEMS®技术,可消除活动波动,使振动耐受性比石英晶振提高了30倍

• 双MEMS温度传感器,实现了100%的热耦合,使温度跟踪速度提高了40倍,确保在气流和快速温度变化条件下实现最佳性能

• 高度集成的混合信号电路,包括片上稳压器、温度到数字转换器(TDC)和低噪声PLL,可提供比电源噪声高5倍的抗扰度,温度分辨率为30微开尔文(比石英晶振高10倍)

• 加热控制电路,可保持封装内部的温度基本恒定。


2.3、哪些市场受益于Epoch平台产品?


Epoch平台产品非常适合网络、数据中心和电信设备。Epoch平台产品还适用于其他高可靠性应用,如基站基础设施网络、小型蜂窝网络、有线网络基础设施、边缘数据中心、IEEE 1588和同步以太网同步以及测试与测量。


2.4、基于纪元的产品的关键差异点是什么?


• 长达12小时的保持时间(±1.5 µs),8小时动态保持时间(8°C温度变化与1 m/s气流) - 比石英OCXO性能好两倍 

• 温度范围内±1、±3、±5 ppb的频率稳定性 

• 最高工作温度范围:-40至95°C 

• 功率降低3倍:420 MW 

• 空气流动下的ADEV性能提高3倍:10秒平均时间为4e-12 

• 老化降低3倍:每天±0.1 ppb 

• 稳定时间加快2倍 - 60秒 

• 体积减小9倍,功率降低3倍:9mmx7mmx3.73mm

• 可编程的数字控制,精度可达6位小数(I2C和SPI接口) 

• 工作电压为2.5v、2.8v和3.3v


2.5、Epoch Platform的产品如何融入SiTime现有的产品组合?


之前推出的Elite和Elite X TCXO支持Stratum 3和4网络基础设施应用,还具有OCXO级别的频率随温度变化斜率(Δf/ΔT),用于IEEE 1588时钟恢复。Epoch Platform±1、3和5 ppb OCXO支持用于移动和有线网络基础设施的更严格的网络,并可实现更长的保持时间以确保服务连续性。Epoch Platform系列还继承了Elite TCXO的动态性能和对环境应力的耐受性,非常适合用于支持5G、数据中心和网络基础设施的远程部署。


2.6、Epoch平台产品的可用性如何?


Epoch平台OCXO的标准样品将于2023年10月上市。这些设备支持±1、±3和±5 ppb的稳定性等级,预计将于2024年初投入生产。


2.7、哪些应用受益于Epoch Platform产品?


出色的动态性能和整体环境耐受性使得Epoch Platform OCXOs非常适合用于网络、数据中心和电信等高可靠性应用。这些应用的例子包括:  

• 暴露在快速温度变化的户外设备 

• 采用风扇冷却但受不可预测和波动气流影响的系统 

• 受到高振动影响的杆式或路边系统 

• 容易因板弯曲和变形导致数据包丢失的数据中心和中央办公室(CO)设备 

• 5G移动网络 

• 小型封装系统 

• 定位、导航和授时(PNT)


3. 时代平台OCXO概述


3.1. Epoch Platform OCXO系列由哪些设备组成?


Epoch Platform OCXO系列包括以下设备,具有不同的频率稳定性等级和频率覆盖范围。


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所有Epoch平台OCXO都具有出色的动态性能,在面对常见的环境应力时能够提供最稳定的时钟信号。以下是一些经过强化的Endura Epoch OCXO产品:


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3.2. 使用Epoch Platform OCXO的主要客户收益是什么? 


• 实现紧凑的设计,减少因布局规则不佳而导致的设计迭代 

• 在实际应用环境中提供更长的保持时间和更稳定的服务 

• 测试和测量应用中所需的设备校准次数更少 

• 设计更加容易,因为对板级噪声不敏感 

• 更高的服务质量,使运营商能够轻松满足SLA(服务水平协议) 

• 可靠的交付消除了石英OCXO作为生产瓶颈 

• 更短的交货时间和快速的生产扩展性 

• 灵活性选择最适合您应用的频率 

• 实现更低的物料成本的电源灵活性 

• 减少了运营成本,因为需要的现场服务更少 

• 更好的用户体验,从而提高用户保留率和运营商收入。


3.3. Epoch Platform OCXOs的应用领域有哪些?


• 5G基站、基站路由器、前传交换机 

• 5G小型基站和毫微微基站 

• 5G O-RAN DU和CU 

• 微波回程 

• 数据中心服务器、交换机和智能网卡 

• 核心网络路由器 

• 边缘网络交换机和路由器 

• 接入路由器和交换机 

• 无源光网络(PON)和光传输 

• 测试仪器 

• 主时钟参考源 

• IEEE 1588路由器和交换机 

• ITU-T G.8
























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