來自美國的SiTime晶振公司,我們都知道這是一家專門研發和制造MEMS可編程晶體振蕩器的企業,SiTime公司MEMS系統的的振蕩器類型有32.768K,XO,MHZ,TCXO,OCXO,VCXO等.而且SiTime是最早成功開發出低成本MEMS振蕩器的廠家,使MEMS晶振模塊得到更好的發展,SiTime公司為汽車,通信,網絡,電信,工業,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展,提供符合的硅晶頻率控制元器件.

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

已經開發了新標準,以實現分組網絡中的同步.其中一個標準是同步以太網(SyncE),它支持以太網的物理層頻率同步.SyncE需要在頻率同步傳輸的整個路徑上提供硬件支持.另一個標準是IEEE1588定義的精確時間協議(PTP),它通過任何分組網絡實現頻率,相位和時間同步.分組網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.網絡設備可以安裝在不同的位置.一些可能處于穩定的室內溫度環境中,而另一些可能在惡劣條件下安裝在外部箱子中.無論環境因素如何,本地振蕩器都必須提供高質量,穩定的參考.與傳統的石英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勢.

環境應力下的系統性能振蕩器數據表保證了理想工作條件下的性能規格,包括受控的靜止空氣環境,沒有任何氣流溫度瞬變,無振動和穩定的電源電壓.這些理想條件在實際應用中不存在,并且曾經受到這些環境壓力因素的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經過精心設計,可提供出色的性能:

•分辨率優于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

這些優勢與超低噪聲,高帶寬溫度-數字轉換器(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頻率變化的統計偏差(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(SyncE)

像SONET/SDH這樣的TDM網絡需要在物理層進行頻率同步.以太網本質上是異步的,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的分組網絡的方法.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

異步以太網需要一個±100ppm的自由振蕩器來為發送器PLL提供時鐘(圖4).通過CDR恢復的時鐘信號僅用于接收數據,并與發送器隔離.在SyncE中,使用以太網設備從時鐘(EEC)代替振蕩器來從RX和TX傳輸頻率同步,以便傳輸的數據以與接收數據中嵌入的相同頻率進行時鐘控制.它創建了一個同步鏈,下游的所有網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.