來自美國的SiTime晶振公司,我們都知道這是一家專門研發(fā)和制造MEMS可編程晶體振蕩器的企業(yè),SiTime公司MEMS系統(tǒng)的的振蕩器類型有32.768K,XO,MHZ,TCXO,OCXO,VCXO等.而且SiTime是最早成功開發(fā)出低成本MEMS振蕩器的廠家,使MEMS晶振模塊得到更好的發(fā)展,SiTime公司為汽車,通信,網(wǎng)絡,電信,工業(yè),軍工等領域用戶專門設計過針對性的晶體振蕩器方案,這么多年來也一直不斷跟隨時代發(fā)展,提供符合的硅晶頻率控制元器件.

隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的引入,出現(xiàn)了對同步的需求,這是電信系統(tǒng)所需的關鍵機制之一.同步要求隨著技術的發(fā)展而變化,并適應網(wǎng)絡的需求.網(wǎng)絡最初設計用于主要承載語音呼叫;而今天大多數(shù)流量都是數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)流量的巨大增長引發(fā)了從時分復用(TDM)網(wǎng)絡到分組網(wǎng)絡(特別是以太網(wǎng))的遷移.這種變化為處理快速增長的數(shù)據(jù)負載提供了一種成本有效的方法,但以太網(wǎng)本質上是異步的,一些網(wǎng)絡服務需要某種形式的同步.

已經(jīng)開發(fā)了新標準,以實現(xiàn)分組網(wǎng)絡中的同步.其中一個標準是同步以太網(wǎng)(SyncE),它支持以太網(wǎng)的物理層頻率同步.SyncE需要在頻率同步傳輸?shù)恼麄€路徑上提供硬件支持.另一個標準是IEEE1588定義的精確時間協(xié)議(PTP),它通過任何分組網(wǎng)絡實現(xiàn)頻率,相位和時間同步.分組網(wǎng)絡不需要硬件支持來承載PTP定時,但是使用PTP感知設備(例如透明時鐘和邊界時鐘)可能是實現(xiàn)所需同步精度所必需的.

在SyncE和PTP應用中,本地振蕩器是一個關鍵組件,它直接影響恢復的時鐘或時間的質量.網(wǎng)絡設備可以安裝在不同的位置.一些可能處于穩(wěn)定的室內溫度環(huán)境中,而另一些可能在惡劣條件下安裝在外部箱子中.無論環(huán)境因素如何,本地振蕩器都必須提供高質量,穩(wěn)定的參考.與傳統(tǒng)的石英TCXO解決方案相比,SiTime MEMSSuper-TCXO(溫補晶體振蕩器)在該領域具有顯著優(yōu)勢.

環(huán)境應力下的系統(tǒng)性能振蕩器數(shù)據(jù)表保證了理想工作條件下的性能規(guī)格,包括受控的靜止空氣環(huán)境,沒有任何氣流溫度瞬變,無振動和穩(wěn)定的電源電壓.這些理想條件在實際應用中不存在,并且曾經(jīng)受到這些環(huán)境壓力因素的TCXO的性能未知.一種常見的績效風險緩解策略是消除壓力因素.

一些常見的技術包括:

•在TCXO上方的電路板上安裝一個小塑料蓋,以隔離外部氣流

•將TCXO放置在遠離高功率IC的電路板部分中,這些IC會產生熱瞬態(tài)并遠離冷卻風扇

•仔細設計TCXO電源,可能包括使用高質量的專用LDO

雖然這些技術被認為是精密TCXO石英晶振的良好設計實踐,但這些技術使設計更加困難,限制性和昂貴.在某些情況下,應用程序施加了額外的限制,使得很難或不可能消除環(huán)境壓力因素.例如,小型可插拔(SFP)模塊具有尺寸和功率限制,這迫使振蕩器放置在小而熱的外殼中,無法控制溫度瞬變.另一個例子是必須位于振動源附近的設備,例如安裝在鐵軌旁邊的桿上的設備.

解決該問題的更好方法是使用對環(huán)境壓力不敏感的振蕩器,并且無論操作條件如何都能保持相同的性能水平.這降低了性能下降的風險,簡化了系統(tǒng)設計并降低了成本.

MEMSSuper-TCXO的體系結構

SiTime MEMSSuper-TCXO產品設計為不受常見環(huán)境壓力因素的影響:氣流和溫度瞬變,沖擊和振動,電源電壓變化和輸出負載變化.

圖1顯示了精密MEMS TCXO框圖.該器件的核心是雙MEMS架構.具有不同溫度特性的兩個MEMS諧振器位于相同的硅管芯上,這確保了兩個諧振器之間幾乎完美的熱耦合.其中一個諧振器用作分數(shù)PLL的頻率參考,它產生輸出時鐘信號,另一個諧振器用作溫度傳感器.

PLL經(jīng)過精心設計,可提供出色的性能:

•分辨率優(yōu)于0.1ppb(輸出端無頻率步進)

•高頻時的低相位噪聲

•出色的毛刺性能

該器件采用復雜的多級電壓調節(jié)器架構,可用于多種用途:

•顯著降低對外部電源變化和電源噪聲的敏感度

•解耦內部電源域以消除輸出雜散

圖1:精密MEMSTCXO的架構

降低對氣流和溫度瞬變的靈敏度SiTime MEMS精密TCXO溫補晶振采用溫度傳感器方案,提供低噪聲,高補償帶寬和30μK的同類最佳溫度測量分辨率(圖2).

圖2:溫度傳感器架構

兩個MEMS諧振器位于同一物理芯片上.其中一個諧振器是TempFlat諧振器,其設計對溫度變化的靈敏度非常低,在200°C寬溫度范圍內頻率變化小于60ppm.另一個諧振器設計為具有一階頻率溫度響應,≈7ppm/°C斜率.兩個諧振器的比率提供了管芯溫度的量度.

這種方法提供了巨大的好處:

•即使在快速熱轉換的情況下,諧振器和溫度傳感器之間也沒有溫度梯度

•由于傳感器和諧振器之間的溫差,沒有溫度測量誤差

這些優(yōu)勢與超低噪聲,高帶寬溫度-數(shù)字轉換器(TDC)電路相結合,可產生同類最佳的半導體溫度傳感器,并使SiTimeSuper-TCXO石英晶體振蕩器器件對氣流和快速溫度瞬變不敏感.這種性能可以使用Allan偏差(ADEV)測量來證明,該測量顯示在稱為平均時間的時間間隔內分數(shù)頻率變化的統(tǒng)計偏差(圖3).在靜止空氣條件下,SiTimeMEMSSuper-TCXO在1s至100s的平均時間內具有稍好的ADEV性能,在1000s時的性能提高2.5倍.當器件暴露在輕微氣流中時,ADEV的差異會發(fā)生顯著變化(TestEquity115TemperatureChamber中的風扇).對SiTimeMEMSTCXO幾乎沒有影響,但石英TCXO的性能降低了38倍！

圖3:氣流下MEMS和石英TCXO的Allan偏差(ADEV)

同步以太網(wǎng)(SyncE)

像SONET/SDH這樣的TDM網(wǎng)絡需要在物理層進行頻率同步.以太網(wǎng)本質上是異步的,不是為同步傳輸而設計的.TDM仿真用于連接異步和同步網(wǎng)絡,但它需要同步的石英振蕩器頻率參考.SyncE提供了一種同步基于以太網(wǎng)的分組網(wǎng)絡的方法.同步的要求對設備時鐘引入了額外的限制.

圖4:SyncE中的時序分配

異步以太網(wǎng)需要一個±100ppm的自由振蕩器來為發(fā)送器PLL提供時鐘(圖4).通過CDR恢復的時鐘信號僅用于接收數(shù)據(jù),并與發(fā)送器隔離.在SyncE中,使用以太網(wǎng)設備從時鐘(EEC)代替振蕩器來從RX和TX傳輸頻率同步,以便傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以與接收數(shù)據(jù)中嵌入的相同頻率進行時鐘控制.它創(chuàng)建了一個同步鏈,下游的所有網(wǎng)絡設備都與一個可追溯到PRC的公共參考同步.EEC是低帶寬PLL(0.1Hz至10Hz),因此需要高質量的溫補晶振來限制稱為漂移的慢速頻率波動.