許多數字應用依靠冷卻系統將工作溫度保持在設計限制范圍內,對于工業應用,通常為-40°C至+85°C.但冷卻系統可能會出現故障,例如風扇出現故障,這可能導致環境溫度升高到系統設計極限以上,在某些情況下會導致極端值達到或超過+125°C.理想情況下,系統應在這些故障條件下保持正常運行.持續運行對于許多系統而言可能是至關重要的,例如蜂窩基站應維持基本服務以支持緊急呼叫.因此系統設計人員應選擇組件以實現最大可靠性.任何數字系統中最重要的組件之一是石英晶體振蕩器.它為整個系統提供同步信號,因此有時被稱為“系統的心跳”.就像人體中的心臟一樣,振蕩器的故障將導致整個系統失效.
汽車級晶體振蕩器(XO)可以在高達+125°C的溫度下工作,并且可以滿足許多應用的要求.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以上工作是很少見的,很難找到.對于某些應用,例如同步以太網(SyncE),IEEE1588以及為蜂窩基站提供回程服務的電信邊界/從時鐘,了解這些設備如何在其額定溫度范圍之外運行以確定何種應用非常重要在故障條件下系統可以維持服務的程度.為此,本應用筆記提供了在超過+70°C/+85°C的溫度下各種TCXO溫補晶振和OCXO恒溫晶振行為的數據和分析,基于兩種技術的測試設備:MEMS(微機電系統)和傳統石英.
石英基TCXO晶振和OCXO晶振的穩定性降解:
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行了測試,以研究它們的行為.額定溫度為+85°C的TCXO器件測試溫度為+125°C;額定溫度為+70°C的器件測試溫度為+105°C.額定溫度為+85°C的OCXO器件測試溫度為+105°C.
圖1-2和圖5-6顯示了TCXO器件的穩定性結果.石英基器件的穩定性在額定溫度限制之外迅速降低.在+125°C時,頻率變化率從+85°C至+95°C之間的10ppb/°C增加至近3000ppb/°C(參見圖3-4和7-8).相比之下,基于MEMS的SiTimeElitePlatformSuper-TCXO溫補晶振器件(SiT5356)優雅地改變頻率,其頻率與溫度斜率(F/T)相比優于2ppb/°C,最高可達+105°C,并且僅增加到在+125°C時為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的穩定性.值是指+85°C時的頻率偏移.

DUT:5個工業溫度額定TCXO設備.

圖2:TCXO從+85°C到+125°C的穩定性.值是指+85°C時的頻率偏移.
DUT:5個工業溫度額定TCXO設備,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時的頻率偏移.
DUT:5個工業溫度額定TCXO設備.

圖4:TCXO頻率與溫度斜率從+85°C到+125°C.
DUT:5個工業溫度額定TCXO設備.水平放大.

圖5:TCXO在+70°C至+105°C范圍內的穩定性.值是指+70°C時的頻率偏移.
DUT:2個商用溫度額定TCXO溫補晶振設備

圖6:從+70°C到+105°C的TCXO穩定性.值是指+70°C時的頻率偏移.
DUT:2個商用溫度額定TCXO設備.水平放大.

圖7:TCXO頻率與溫度斜率從+70°C到+105°C.
DUT:2個商用溫度范圍的TCXO設備.

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

圖9:OCXO從+85°C到+105°C的穩定性.值是指+85°C時的頻率偏移.
DUT:4個工業溫度額定值的OCXO器件.

圖10:OCXO性能從+85°C到+105°C.值是指+85°C時的頻率偏移.
DUT:4個工業溫度額定值的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個工業溫度額定值的OCXO器件.

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

系統影響:
TCXO和OCXO是高精度器件,溫補振蕩器的穩定性達到50ppb級,Stratum3E級OCXO的穩定性達到5ppb級.這些設備用于需要高穩定性頻率參考且對系統性能至關重要的蜂窩基站等應用.由于冷卻系統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功能.除了涵蓋故障情況外,OCXO和TCXO的擴展溫度操作可以實現更加可靠的系統,根本不需要冷卻風扇.
本應用筆記中顯示的測試結果清楚地表明,SiTime時序解決方案是容錯和擴展溫度系統的最佳選擇.如果溫度超出額定范圍,基于石英晶振的解決方案會迅速失去穩定性.在SyncE應用程序的情況下,這種穩定性降級可能有幾個含義,具體取決于降級的嚴重程度.對于本地振蕩器的大ppm級降級,PLL可能會解鎖,導致完全同步丟失和系統故障,包括掉線和數據丟失.頻率穩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的溫度變化會更快地改變頻率.這意味著在通過低帶寬PLL(如SyncEPLL)跟蹤之前會累積更多錯誤.這導致了數據傳輸中的規范和多次滑動.
對于IEEE1558應用,這種頻率斜率降低表現為動態時間誤差降級.時間誤差累積的速度比低帶寬IEEE1588環路能夠趕上并且超出規格.對于基站,這會導致呼叫掉線或呼叫質量下降.通常,由于冷卻系統故障導致的快速溫度升高將使高頻與溫度斜率轉換為高頻率與時間斜率,這將導致許多系統的故障.同步應用,如SyncE和IEEE1588,對系統時鐘頻率變化具有高通頻率響應,溫補晶振系統時鐘頻率的快速變化將不會被跟蹤,并將對SyncE PLL輸出頻率和整體系統性能產生直接的有害影響.
與石英器件相比,SiTime基于MEMS的Elite平臺Super-TCXO和Emerald Platform Stratum3E OCXO具有優雅的低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行,低穩定性降級也可以防止系統解鎖并在時間誤差規范內保持性能.這種對高溫和快速熱變化的抵抗力以及對MEMS 0scillator的沖擊和振動的固有彈性,使這些定時解決方案能夠保持額定穩定性并提供連續的系統操作.

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