许多数字应用依靠冷却系统将工作温度保持在设计限制范围内,对于工业应用,通常为-40°C至+85°C.但冷却系统可能会出现故障,例如风扇出现故障,这可能导致环境温度升高到系统设计极限以上,在某些情况下会导致极端值达到或超过+125°C.理想情况下,系统应在这些故障条件下保持正常运行.持续运行对于许多系统而言可能是至关重要的,例如蜂窝基站应维持基本服务以支持紧急呼叫.因此系统设计人员应选择组件以实现最大可靠性.任何数字系统中最重要的组件之一是石英晶体振荡器.它为整个系统提供同步信号,因此有时被称为“系统的心跳”.就像人体中的心脏一样,振荡器的故障将导致整个系统失效.
汽车级晶体振荡器(XO)可以在高达+125°C的温度下工作,并且可以满足许多应用的要求.但是,温度控制晶体振荡器(TCXO)和恒温控制晶体振荡器(OCXO)等精密振荡器在+85°C以上工作是很少见的,很难找到.对于某些应用,例如同步以太网(SyncE),IEEE1588以及为蜂窝基站提供回程服务的电信边界/从时钟,了解这些设备如何在其额定温度范围之外运行以确定何种应用非常重要在故障条件下系统可以维持服务的程度.为此,本应用笔记提供了在超过+70°C/+85°C的温度下各种TCXO温补晶振和OCXO恒温晶振行为的数据和分析,基于两种技术的测试设备:MEMS(微机电系统)和传统石英.
石英基TCXO晶振和OCXO晶振的稳定性降解:
SiTime晶振基于MEMS的TCXO和OCXO器件以及基于石英的TCXO和OCXO器件在温度上限以外进行了测试,以研究它们的行为.额定温度为+85°C的TCXO器件测试温度为+125°C;额定温度为+70°C的器件测试温度为+105°C.额定温度为+85°C的OCXO器件测试温度为+105°C.
图1-2和图5-6显示了TCXO器件的稳定性结果.石英基器件的稳定性在额定温度限制之外迅速降低.在+125°C时,频率变化率从+85°C至+95°C之间的10ppb/°C增加至近3000ppb/°C(参见图3-4和7-8).相比之下,基于MEMS的SiTimeElitePlatformSuper-TCXO温补晶振器件(SiT5356)优雅地改变频率,其频率与温度斜率(F/T)相比优于2ppb/°C,最高可达+105°C,并且仅增加到在+125°C时为8ppb/°C.从+85°C到125°C的总频率变化仅为50ppb.

图1:TCXO从+85°C到+125°C的稳定性.值是指+85°C时的频率偏移.

DUT:5个工业温度额定TCXO设备.

图2:TCXO从+85°C到+125°C的稳定性.值是指+85°C时的频率偏移.
DUT:5个工业温度额定TCXO设备,水平放大.

图3:TCXO频率与温度斜率从+85°C到+125°C.值是指+85°C时的频率偏移.
DUT:5个工业温度额定TCXO设备.

图4:TCXO频率与温度斜率从+85°C到+125°C.
DUT:5个工业温度额定TCXO设备.水平放大.

图5:TCXO在+70°C至+105°C范围内的稳定性.值是指+70°C时的频率偏移.
DUT:2个商用温度额定TCXO温补晶振设备

图6:从+70°C到+105°C的TCXO稳定性.值是指+70°C时的频率偏移.
DUT:2个商用温度额定TCXO设备.水平放大.

图7:TCXO频率与温度斜率从+70°C到+105°C.
DUT:2个商用温度范围的TCXO设备.

图8:TCXO频率与温度斜率从+70°C到+105°C.在测试OCXO晶振设备时观察到类似的行为(见图9-10).在温度超出额定温度范围4°C至8°C后,石英基器件的稳定性开始下降.ΔF/ΔT从3ppb/°C降至30ppb/°C(见图11-12).相比之下,基于MEMS的SiTimeEmeraldPlatformOCXO(SiT5711)器件的额定稳定性可达+105°C,频率斜率小于0.5ppb/°C.

图9:OCXO从+85°C到+105°C的稳定性.值是指+85°C时的频率偏移.
DUT:4个工业温度额定值的OCXO器件.

图10:OCXO性能从+85°C到+105°C.值是指+85°C时的频率偏移.
DUT:4个工业温度额定值的OCXO器件.水平放大.

图11:OCXO频率与温度斜率从+85°C到+105°C.
DUT:4个工业温度额定值的OCXO器件.

图12:OCXO频率与温度斜率从+85°C到+105°C.
DUT:4个工业温度额定值的OCXO器件.水平放大.

系统影响:
TCXO和OCXO是高精度器件,温补振荡器的稳定性达到50ppb级,Stratum3E级OCXO的稳定性达到5ppb级.这些设备用于需要高稳定性频率参考且对系统性能至关重要的蜂窝基站等应用.由于冷却系统故障以及温度升高到工作温度范围以上的可能性,非常希望在这些事件期间保持一定水平的系统功能.除了涵盖故障情况外,OCXO和TCXO的扩展温度操作可以实现更加可靠的系统,根本不需要冷却风扇.
本应用笔记中显示的测试结果清楚地表明,SiTime时序解决方案是容错和扩展温度系统的最佳选择.如果温度超出额定范围,基于石英晶振的解决方案会迅速失去稳定性.在SyncE应用程序的情况下,这种稳定性降级可能有几个含义,具体取决于降级的严重程度.对于本地振荡器的大ppm级降级,PLL可能会解锁,导致完全同步丢失和系统故障,包括掉线和数据丢失.频率稳定性的降低也意味着可比较的频率斜率增加.本地振荡器每1°C的温度变化会更快地改变频率.这意味着在通过低带宽PLL(如SyncEPLL)跟踪之前会累积更多错误.这导致了数据传输中的规范和多次滑动.
对于IEEE1558应用,这种频率斜率降低表现为动态时间误差降级.时间误差累积的速度比低带宽IEEE1588环路能够赶上并且超出规格.对于基站,这会导致呼叫掉线或呼叫质量下降.通常,由于冷却系统故障导致的快速温度升高将使高频与温度斜率转换为高频率与时间斜率,这将导致许多系统的故障.同步应用,如SyncE和IEEE1588,对系统时钟频率变化具有高通频率响应,温补晶振系统时钟频率的快速变化将不会被跟踪,并将对SyncE PLL输出频率和整体系统性能产生直接的有害影响.
与石英器件相比,SiTime基于MEMS的Elite平台Super-TCXO和Emerald Platform Stratum3E OCXO具有优雅的低F/T变化.即使温度变化,也可以避免大的频率瞬变.即使在额定温度范围之外运行,低稳定性降级也可以防止系统解锁并在时间误差规范内保持性能.这种对高温和快速热变化的抵抗力以及对MEMS 0scillator的冲击和振动的固有弹性,使这些定时解决方案能够保持额定稳定性并提供连续的系统操作.

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