来自美国的SiTime晶振公司,我们都知道这是一家专门研发和制造MEMS可编程晶体振荡器的企业,SiTime公司MEMS系统的的振荡器类型有32.768K,XO,MHZ,TCXO,OCXO,VCXO等.而且SiTime是最早成功开发出低成本MEMS振荡器的厂家,使MEMS晶振模块得到更好的发展,SiTime公司为汽车,通信,网络,电信,工业,军工等领域用户专门设计过针对性的晶体振荡器方案,这么多年来也一直不断跟随时代发展,提供符合的硅晶频率控制元器件.

随着数字通信系统的引入,出现了对同步的需求,这是电信系统所需的关键机制之一.同步要求随着技术的发展而变化,并适应网络的需求.网络最初设计用于主要承载语音呼叫;而今天大多数流量都是数据.数据流量的巨大增长引发了从时分复用(TDM)网络到分组网络(特别是以太网)的迁移.这种变化为处理快速增长的数据负载提供了一种成本有效的方法,但以太网本质上是异步的,一些网络服务需要某种形式的同步.

已经开发了新标准,以实现分组网络中的同步.其中一个标准是同步以太网(SyncE),它支持以太网的物理层频率同步.SyncE需要在频率同步传输的整个路径上提供硬件支持.另一个标准是IEEE1588定义的精确时间协议(PTP),它通过任何分组网络实现频率,相位和时间同步.分组网络不需要硬件支持来承载PTP定时,但是使用PTP感知设备(例如透明时钟和边界时钟)可能是实现所需同步精度所必需的.

在SyncE和PTP应用中,本地振荡器是一个关键组件,它直接影响恢复的时钟或时间的质量.网络设备可以安装在不同的位置.一些可能处于稳定的室内温度环境中,而另一些可能在恶劣条件下安装在外部箱子中.无论环境因素如何,本地振荡器都必须提供高质量,稳定的参考.与传统的石英TCXO解决方案相比,SiTime MEMSSuper-TCXO(温补晶体振荡器)在该领域具有显着优势.

环境应力下的系统性能振荡器数据表保证了理想工作条件下的性能规格,包括受控的静止空气环境,没有任何气流温度瞬变,无振动和稳定的电源电压.这些理想条件在实际应用中不存在,并且曾经受到这些环境压力因素的TCXO的性能未知.一种常见的绩效风险缓解策略是消除压力因素.

一些常见的技术包括:

•在TCXO上方的电路板上安装一个小塑料盖,以隔离外部气流

•将TCXO放置在远离高功率IC的电路板部分中,这些IC会产生热瞬态并远离冷却风扇

•仔细设计TCXO电源,可能包括使用高质量的专用LDO

虽然这些技术被认为是精密TCXO石英晶振的良好设计实践,但这些技术使设计更加困难,限制性和昂贵.在某些情况下,应用程序施加了额外的限制,使得很难或不可能消除环境压力因素.例如,小型可插拔(SFP)模块具有尺寸和功率限制,这迫使振荡器放置在小而热的外壳中,无法控制温度瞬变.另一个例子是必须位于振动源附近的设备,例如安装在铁轨旁边的杆上的设备.

解决该问题的更好方法是使用对环境压力不敏感的振荡器,并且无论操作条件如何都能保持相同的性能水平.这降低了性能下降的风险,简化了系统设计并降低了成本.

MEMSSuper-TCXO的体系结构

SiTime MEMSSuper-TCXO产品设计为不受常见环境压力因素的影响:气流和温度瞬变,冲击和振动,电源电压变化和输出负载变化.

图1显示了精密MEMS TCXO框图.该器件的核心是双MEMS架构.具有不同温度特性的两个MEMS谐振器位于相同的硅管芯上,这确保了两个谐振器之间几乎完美的热耦合.其中一个谐振器用作分数PLL的频率参考,它产生输出时钟信号,另一个谐振器用作温度传感器.

PLL经过精心设计,可提供出色的性能:

•分辨率优于0.1ppb(输出端无频率步进)

•高频时的低相位噪声

•出色的毛刺性能

该器件采用复杂的多级电压调节器架构,可用于多种用途:

•显着降低对外部电源变化和电源噪声的敏感度

•解耦内部电源域以消除输出杂散

图1:精密MEMSTCXO的架构

降低对气流和温度瞬变的灵敏度SiTime MEMS精密TCXO温补晶振采用温度传感器方案,提供低噪声,高补偿带宽和30μK的同类最佳温度测量分辨率(图2).

图2:温度传感器架构

两个MEMS谐振器位于同一物理芯片上.其中一个谐振器是TempFlat谐振器,其设计对温度变化的灵敏度非常低,在200°C宽温度范围内频率变化小于60ppm.另一个谐振器设计为具有一阶频率温度响应,≈7ppm/°C斜率.两个谐振器的比率提供了管芯温度的量度.

这种方法提供了巨大的好处:

•即使在快速热转换的情况下,谐振器和温度传感器之间也没有温度梯度

•由于传感器和谐振器之间的温差,没有温度测量误差

这些优势与超低噪声,高带宽温度-数字转换器(TDC)电路相结合,可产生同类最佳的半导体温度传感器,并使SiTimeSuper-TCXO石英晶体振荡器器件对气流和快速温度瞬变不敏感.这种性能可以使用Allan偏差(ADEV)测量来证明,该测量显示在称为平均时间的时间间隔内分数频率变化的统计偏差(图3).在静止空气条件下,SiTimeMEMSSuper-TCXO在1s至100s的平均时间内具有稍好的ADEV性能,在1000s时的性能提高2.5倍.当器件暴露在轻微气流中时,ADEV的差异会发生显着变化(TestEquity115TemperatureChamber中的风扇).对SiTimeMEMSTCXO几乎没有影响,但石英TCXO的性能降低了38倍！

图3:气流下MEMS和石英TCXO的Allan偏差(ADEV)

同步以太网(SyncE)

像SONET/SDH这样的TDM网络需要在物理层进行频率同步.以太网本质上是异步的,不是为同步传输而设计的.TDM仿真用于连接异步和同步网络,但它需要同步的石英振荡器频率参考.SyncE提供了一种同步基于以太网的分组网络的方法.同步的要求对设备时钟引入了额外的限制.

图4:SyncE中的时序分配

异步以太网需要一个±100ppm的自由振荡器来为发送器PLL提供时钟(图4).通过CDR恢复的时钟信号仅用于接收数据,并与发送器隔离.在SyncE中,使用以太网设备从时钟(EEC)代替振荡器来从RX和TX传输频率同步,以便传输的数据以与接收数据中嵌入的相同频率进行时钟控制.它创建了一个同步链,下游的所有网络设备都与一个可追溯到PRC的公共参考同步.EEC是低带宽PLL(0.1Hz至10Hz),因此需要高质量的温补晶振来限制称为漂移的慢速频率波动.