來(lái)自美國(guó)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(kāi)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(luò),電信,工業(yè),軍工等領(lǐng)域用戶專門設(shè)計(jì)過(guò)針對(duì)性的晶體振蕩器方案,這么多年來(lái)也一直不斷跟隨時(shí)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(duì)同步的需求,這是電信系統(tǒng)所需的關(guān)鍵機(jī)制之一.同步要求隨著技術(shù)的發(fā)展而變化,并適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的需求.網(wǎng)絡(luò)最初設(shè)計(jì)用于主要承載語(yǔ)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(zhǎng)引發(fā)了從時(shí)分復(fù)用(TDM)網(wǎng)絡(luò)到分組網(wǎng)絡(luò)(特別是以太網(wǎng))的遷移.這種變化為處理快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)負(fù)載提供了一種成本有效的方法,但以太網(wǎng)本質(zhì)上是異步的,一些網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需要某種形式的同步.

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)分組網(wǎng)絡(luò)中的同步.其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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€(gè)路徑上提供硬件支持.另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE1588定義的精確時(shí)間協(xié)議(PTP),它通過(guò)任何分組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頻率,相位和時(shí)間同步.分組網(wǎng)絡(luò)不需要硬件支持來(lái)承載PTP定時(shí),但是使用PTP感知設(shè)備(例如透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘)可能是實(shí)現(xiàn)所需同步精度所必需的.

在SyncE和PTP應(yīng)用中,本地振蕩器是一個(gè)關(guān)鍵組件,它直接影響恢復(fù)的時(shí)鐘或時(shí)間的質(zhì)量.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以安裝在不同的位置.一些可能處于穩(wěn)定的室內(nèi)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(wú)論環(huán)境因素如何,本地振蕩器都必須提供高質(zhì)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(bǔ)晶體振蕩器)在該領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì).

環(huán)境應(yīng)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(méi)有任何氣流溫度瞬變,無(wú)振動(dòng)和穩(wěn)定的電源電壓.這些理想條件在實(shí)際應(yīng)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(jiàn)的績(jī)效風(fēng)險(xiǎn)緩解策略是消除壓力因素.

一些常見(jiàn)的技術(shù)包括:

•在TCXO上方的電路板上安裝一個(gè)小塑料蓋,以隔離外部氣流

•將TCXO放置在遠(yuǎn)離高功率IC的電路板部分中,這些IC會(huì)產(chǎn)生熱瞬態(tài)并遠(yuǎn)離冷卻風(fēng)扇

•仔細(xì)設(shè)計(jì)TCXO電源,可能包括使用高質(zhì)量的專用LDO

雖然這些技術(shù)被認(rèn)為是精密TCXO石英晶振的良好設(shè)計(jì)實(shí)踐,但這些技術(shù)使設(shè)計(jì)更加困難,限制性和昂貴.在某些情況下,應(yīng)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(wú)法控制溫度瞬變.另一個(gè)例子是必須位于振動(dòng)源附近的設(shè)備,例如安裝在鐵軌旁邊的桿上的設(shè)備.

解決該問(wèn)題的更好方法是使用對(duì)環(huán)境壓力不敏感的振蕩器,并且無(wú)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(fēng)險(xiǎn),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低了成本.

MEMSSuper-TCXO的體系結(jié)構(gòu)

SiTime MEMSSuper-TCXO產(chǎn)品設(shè)計(jì)為不受常見(jiàn)環(huán)境壓力因素的影響:氣流和溫度瞬變,沖擊和振動(dòng),電源電壓變化和輸出負(fù)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(gòu).具有不同溫度特性的兩個(gè)MEMS諧振器位于相同的硅管芯上,這確保了兩個(gè)諧振器之間幾乎完美的熱耦合.其中一個(gè)諧振器用作分?jǐn)?shù)PLL的頻率參考,它產(chǎn)生輸出時(shí)鐘信號(hào),另一個(gè)諧振器用作溫度傳感器.

PLL經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),可提供出色的性能:

•分辨率優(yōu)于0.1ppb(輸出端無(wú)頻率步進(jìn))

•高頻時(shí)的低相位噪聲

•出色的毛刺性能

該器件采用復(fù)雜的多級(jí)電壓調(diào)節(jié)器架構(gòu),可用于多種用途:

•顯著降低對(duì)外部電源變化和電源噪聲的敏感度

•解耦內(nèi)部電源域以消除輸出雜散

圖1:精密MEMSTCXO的架構(gòu)

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

圖2:溫度傳感器架構(gòu)

兩個(gè)MEMS諧振器位于同一物理芯片上.其中一個(gè)諧振器是TempFlat諧振器,其設(shè)計(jì)對(duì)溫度變化的靈敏度非常低,在200°C寬溫度范圍內(nèi)頻率變化小于60ppm.另一個(gè)諧振器設(shè)計(jì)為具有一階頻率溫度響應(yīng),≈7ppm/°C斜率.兩個(gè)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(zhuǎn)換的情況下,諧振器和溫度傳感器之間也沒(méi)有溫度梯度

•由于傳感器和諧振器之間的溫差,沒(méi)有溫度測(cè)量誤差

這些優(yōu)勢(shì)與超低噪聲,高帶寬溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)電路相結(jié)合,可產(chǎn)生同類最佳的半導(dǎo)體溫度傳感器,并使SiTimeSuper-TCXO石英晶體振蕩器器件對(duì)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(cè)量來(lái)證明,該測(cè)量顯示在稱為平均時(shí)間的時(shí)間間隔內(nèi)分?jǐn)?shù)頻率變化的統(tǒng)計(jì)偏差(圖3).在靜止空氣條件下,SiTimeMEMSSuper-TCXO在1s至100s的平均時(shí)間內(nèi)具有稍好的ADEV性能,在1000s時(shí)的性能提高2.5倍.當(dāng)器件暴露在輕微氣流中時(shí),ADEV的差異會(huì)發(fā)生顯著變化(TestEquity115TemperatureChamber中的風(fēng)扇).對(duì)SiTimeMEMSTCXO幾乎沒(méi)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(luò)需要在物理層進(jìn)行頻率同步.以太網(wǎng)本質(zhì)上是異步的,不是為同步傳輸而設(shè)計(jì)的.TDM仿真用于連接異步和同步網(wǎng)絡(luò),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(luò)的方法.同步的要求對(duì)設(shè)備時(shí)鐘引入了額外的限制.

圖4:SyncE中的時(shí)序分配

異步以太網(wǎng)需要一個(gè)±100ppm的自由振蕩器來(lái)為發(fā)送器PLL提供時(shí)鐘(圖4).通過(guò)CDR恢復(fù)的時(shí)鐘信號(hào)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(shè)備從時(shí)鐘(EEC)代替振蕩器來(lái)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(jìn)行時(shí)鐘控制.它創(chuàng)建了一個(gè)同步鏈,下游的所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都與一個(gè)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(zhì)量的溫補(bǔ)晶振來(lái)限制稱為漂移的慢速頻率波動(dòng).