1、引言 

随着网络基础设施的快速发展以及 5G 和数据中心的融合，对于高稳定性和低延迟解决方案的时序规范变得越来越严格。传统的 OCXO（恒温晶体振荡器）在尺寸和性能方面面临限制，给工程师带来了挑战。然而，Epoch Platform™ MEMS OCXO（SiT5801、SiT5802、SiT5811、SiT5812）通过结合 MEMS 技术和独特的热结构解决了这些障碍，在紧凑的 9.0 mm×7.0 mm×3.6 mm封装中提供了前所未有的稳定性和精度。

本文重点介绍了 Epoch Platform 在各种特性方面相对于石英 OCXO 的优势。通过利用 MEMS 技术的优势，新一代 OCXO 提供了优化的性能，使其成为对功率效率、系统小型化和弹性至关重要的应用的理想选择。 

2、 设计优势

网络技术的快速发展需要先进的解决方案来满足对稳定性和性能不断增长的需求。本节介绍了创新的 Epoch Platform MEMS OCXO，它结合了传统石英 OCXO 和小型化 ASIC OCXO 的优势。Epoch Platform OCXO 即使在受限空间和恶劣环境中也能提供高频率稳定性和精度。 Epoch Platform OCXO 为系统设计人员提供了相对于传统 OCXO 技术的几个优势。除了射频级相位噪声和低振动灵敏度外，它们还利用 SiTime ≠的专利硅 MEMS 和混合信号 IC 技术创建了高度可靠和稳定的振荡器。

这使得 Epoch Platform 即使在机械和热应力下也能保持高稳定性，适用于恶劣的环境条件。Epoch Platform 的 DualMEMS®设计使其能够轻松适应不同的应用和环境，不受温度变化或气流存在的影响。它还最大限度地减少了焊接偏移的影响，超越了传统 OCXO 功率循环的限制。它能够承受的功率循环次数是传统石英 OCXO 的 10 倍以上，证明了其高度耐用和可靠的设计。通过使用 Epoch Platform OCXO，系统设计人员可以克服传统 OCXO 的限制，并创建性能更高、更可靠的系统。

 2.1、焊接偏移

焊接偏移是由于焊接过程中的高温应力导致材料变化而引起的。应力相关的相互作用在焊接过程中起着关键作用。然而，在创建组件之间强大的电气连接时，焊接过程会引入热和机械应力。这种应力会导致回流期间时钟频率偏离，这种现象称为焊接偏移。焊接偏移可能导致材料变化，降低设备性能，并在许多具有严格的生命周期同步和延迟要求的网络应用中导致时钟稳定性违规。

 借助 Epoch Platform，SiTime 优化了振荡器结构，以克服回流过程中热和机械应力引起的频率变化。这种优化确保了制造过程后频率保持精确。Epoch Platform 在两次回流后显示出频率偏差小于 5 ppb（图 2-1）。 

图 2-1：两次回流过程后的频率偏差

2.2、开机和回差

Epoch 平台因其微型化设计而比传统 OCXO 具有显著优势，由于其热质量小，稳定所需的预热时间大大缩短。由于其快速响应的热控制回路，Epoch 平台展现出令人印象深刻的预热特性，在不到 1 分钟内达到±1 ppb 的稳定性。

OCXO 性能的另一个关键特性是回差，即在规定时间段后切断电源然后再重新接通时会发生。在此过程中，加热和冷却炉体结构产生的热应力会导致频率恢复到与断电前不同的值。Epoch 平台利用精确的半导体工艺控制来最大程度地减少应力诱导效应的影响。

图 2-2 展示了 Epoch 平台的低回差。断电 24 小时后，重新开机时频率偏差小于 1 ppb。这种出色的精度使 Epoch 平台成为即使在长时间电源中断后仍需要一致和可靠性能的应用的理想选择。

图 2-2：开机和回差特性  

2.3、滞后和温度斜率

在系统运行期间，温度变化会显著影响性能。因此，在早期设计阶段考虑温度稳定性和动态指标（如频率斜率（dF/dT））至关重要。2017 年，SiTime 推出了一种新的温度传感器技术，其具有双微机电系统（MEMS）谐振器。[1] 先进的 DualMEMS 温度传感器架构通过先进的 CMOS 技术提供低噪声数字特性和高带宽温度 - 数字转换器（TDC）。这种组合使传感器能够有效地补偿快速的温度变化。

Epoch 平台设计为在-40°C 至 95°C 的宽工作温度范围内可靠运行，无论温度变化多快，都能确保±1 ppb 的稳定性，并提供±0.01 ppb/°C 的温度斜率（dF/dT）稳定性。这意味着它可以准确跟踪和调整温度变化，如图 2-3 和图 2-4 所示，提供精确和一致的性能。

图 2 - 3：Epoch 平台在不同温度下的稳定性 

图 2 - 4：Epoch 平台在不同温度斜率（dF/dT）下的稳定性

2.4、对气流的抗性 

对于传统 OCXO 供应商来说，确保设备稳定性是首要关注的问题，他们通常建议将设备放置在远离风扇的位置或添加盖子以维持恒温箱的稳定性并减少热损失。

然而，此类措施可能会导致布局难题，特别是在系统尺寸受限的应用中。相比之下，Epoch 平台凭借其创新设计脱颖而出，其具有双 MEMS 温度传感器和强大的热架构，能够抵御快速气流。这种独特的设计使 Epoch 平台即使在气流变化的情况下也能作为时钟源保持高精度。图 2 - 5 显示了当 3 米/秒的气流周期性地开启和关闭流过设备时，Epoch 平台的输出频率（以 ppb 为单位）。传统的 OCXO 在气流下会有几个 ppb 或更多的频率扰动。相比之下，Epoch 平台的 OCXO 显示出最小的频率干扰，在气流下具有出色的保持能力（图 2 - 6）。

图 2 - 5：在变化气流下的频率偏差 

图 2 - 6：有气流和无气流时的保持能力

2.5、供电电压变化

当 OCXO 的供电电压发生波动时，可能会导致振荡或热控制电路发生变化，从而导致输出频率瞬间偏差，进而产生时间误差。Epoch 平台集成了片上电源噪声滤波功能来解决这一关键问题，即使在电源模块不稳定的条件下也能提供无与伦比的频率稳定性，如图 2-7 所示。 

图 2-7：供电电压变化下的频率稳定性 

Epoch 平台的片上电源噪声滤波能力确保了频率同步的一致性和精确性，不受布局空间限制或低压差（LDO）稳压器放置的影响。 

3、结论 

从前面的讨论中可以明显看出，Epoch 平台的独特设计带来了许多系统设计优势。与传统石英晶振相比，焊接下移位要小得多。Epoch 平台的上电和回溯时间非常短，并且在不同器件之间具有很高的可预测性。滞后约为±0.1 ppb，dF/dT 即频率与温度曲线的斜率非常一致，并且比竞争石英晶振小一个数量级。最后，气流和电源变化对输出频率没有影响。这些组件级别的优势将共同实现，例如，在 IEEE 1588 环路中更低的保持时间误差和动态 TDEV。Epoch 平台为 OCXO 的性能和系统设计人员的易用性树立了新的标杆。