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环境应力条件下精密MEMS TCXO的同步系统性能优势

环境应力条件下精密MEMS TCXO的同步系统性能优势

 

环境应力条件下精密MEMS TCXO的同步系统性能优势

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),它可以实现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IEEE 1588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。

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。有些可能处于稳定的室内温度环境中,而其他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 MEMS Super-TCXO(温度补偿振荡器)在该领域具有显着优势。

环境压力下的系统性能
振荡器数据表保证了在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。

一些常用技术包括:

 TCXO上方的电路板上安装一个小塑料盖,以隔离外部气流
 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,其中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石英TCXO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。

MEMS Super-TCXO的体系结构
SiTime MEMS Super-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。

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:

 优于0.1 ppb分辨率(输出端无频率步进)
 高频时的低相位噪声
 卓越的性能
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

 

降低对气流和温度瞬变的敏感度

SiTime MEMS精密TCXO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)。

 

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60 ppm。 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,形成了同类最佳的半导体温度传感器,使SiTime Super-TCXO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,SiTime MEMS Super-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(TestEquity 115温度室中的风扇)。对SiTime MEMS TCXO几乎没有影响,但石英TCXO的性能降低了38倍!

 

有关DualMEMS架构的结构和元件的更多详细信息,以及它们与石英TCXO的区别,请参阅SiTime技术文章:DualMEMS温度传感技术。

同步以太网(SyncE)

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。

 

异步以太网需要一个±100 ppm的自激振荡器来为发送器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.ECE是一个低带宽PLL(0.1 Hz到10 Hz),所以它需要一个高质量的TCXO来限制慢速波动徘徊。

SyncE漫游性能指标

SyncE时钟的漂移生成被定义为在没有输入漂移(理想漂移自由输入)的情况下出现在时钟输出处的漂移。漫游生成是PLL设计和本地振荡器性能的函数,但对于现代高性能PLL,它主要受TCXO质量的影响。

最大时间间隔误差(MTIE)是在称为观察时间的特定时间间隔内时钟的最大时间误差的度量。MTIE定义为时钟的峰值时间偏差,因此对单个极值偏差非常敏感。 它用于限制瞬态,最大漂移和控制频率偏移。

时间偏差(TDEV)表征通过带通滤波器测量的时钟相位噪声的RMS能量。滤波器带宽由观察间隔确定。TDEV指定相位噪声的频谱内容。它对于限制在各种频率下产生的漂移是有用的,这样它可以被下游时钟过滤,并且可以控制网络漂移累积。

 

气流对TDEV和MTIE的影响

ITU-T标准,特别是G.8262规定了SyncE EEC的漂移生成限制(一致性掩模)。 MTIE和TDEV规格限值定义为0.1s至1000s或10,000s的平均时间。这是频谱中与气流和温度瞬变重叠的部分。本地TCXO对这些环境因素的敏感性会降低其性能。欧洲经济共同体。在安静的空气条件下通过一致性测试的时钟可能在气流存在时失败或处于边缘。

 

石英TCXO不具备SiTime MEMS TCXO的紧密热耦合和快速温度补偿优势,因此对气流敏感。 这可以通过比较静止空气和微风条件下的漂移性能来说明。图5显示了用于MTIE和TDEV测量的测量测试设置。对于此测试,石英TCXO和MEMS TCXO与SiLabs Si5328 SycnE PLL配对。高质量的Microsemi铷参考用作PLL的无漂移输入和频率计数器的频率参考。为了收集MTIE和TDEV度量,锁定到铷的PLL的输出频率在统计上适当的时间量(至少12倍观察时间)和后处理下被测量。为了获得更好的测量精度,使用了具有无间隙测量能力的频率计(在连续频率测量之间没有死区时间)。

 

6和图7显示了0.1 Hz PLL带宽的MTIE和TDEV测量结果,对应于EEC选项2规范。 SiTime MEMS TCXO和石英TCXO已经在两种不同条件下进行了测试:1)仍然空气稳定的温度和振荡器与任何具有多层绝缘层的气流隔离良好,以及2)轻微的空气 - 振荡器暴露于TestEquity的常规气流 115A温度室。如图所示,SiTime MEMS TCXO的漂移性能不受气流影响,而石英TCXO显示出明显的退化,2至5倍更差,有些平均时间接近违反柔性掩模。

 

精确时间协议性能

精确时间协议(PTP)是IEEE 1588中定义的双向时间传输协议,它允许通过分组网络(如以太网)传输定时信息。定时通过交换时间戳从PTP主机分发到网络域中的所有从属设备 两者之间的消息。PTP网络中最大的挑战之一是分组延迟变化(PDV),它是主时钟和从时钟之间的分组传播的可变延迟。它可能由各种不同因素引起,例如网络负载变化或运行各种软件算法的网络交换机。PDV在恢复的时间信息上显示为噪声并且必须被过滤(图8)。

 

 

 

 

9显示了从同步循环的高级模型。千兆位媒体独立接口(GMII)提供物理层和MAC之间的接口。PTP消息在接收时被加时间戳,通常通过立即硬件时间戳来避免软件延迟。可以使用几种PTP分组选择算法中的一种来预选受PDV影响最小的PTP分组。 进一步的PDV滤波由低通滤波器和低带宽伺服环路完成。

 

高质量的本地振荡器(TCXO或OCXO)是伺服环路的关键部分。PTP同步消息的速率通常为每秒8到32条消息。如果使用分组选择算法,则可能拒绝某些消息。本地振荡器必须在更新之间提供定时信息。为了获得更好的PDV滤波,伺服环路带宽必须尽可能低,但这会给本地TCXO带来更大压力,因为TCXO必须在更长的时间间隔内提供出色的稳定性。振荡器频率转换可能是由内部噪声或温度变化等外部因素引起的,只有当它们足够慢以至于在伺服环路的带宽内时才能被跟踪。否则他们直接反映恢复时钟的性能。

温度瞬变存在下的PTP从动性能
时间误差是网络性能和振荡器噪声的组合。PDV滤波和振荡器噪声之间的权衡由伺服环路带宽定义。在正常操作条件下,滤波带宽可以设置为10毫赫兹或更低的非常低的值。它提供良好的PDV过滤能力和出色的PTP性能。

在实际应用中,并不总是能够实现优异的稳定环境条件.PCB温度瞬变可能是由处理器的可变负载引起的; 环境温度变化可能是由于冷却风扇打开和关闭,或服务人员打开外壳门; 通过交通可能导致振动。石英TCXO的频率对这些环境因素非常敏感,石英数据表仅保证在理想条件下的性能。

10说明了工程师在PTP应用程序中使用OCXO而不是TCXO的一个原因。该图显示了通过以太网通过PTP锁定的主设备和从设备之间的时间误差。在时间t = 60s时,热气流(约50°C)被施加到本地振荡器,该振荡器向a提供时钟信号。PTP从设备。具有石英TCXO的从器件响应时间误差性能急剧下降,并且显着违反1.5μs时间误差限制。具有SiTime MEMS TCXO或石英OCXO的从器件不会出现任何可测量的性能下降。

MEMS TCXO为PTP应用提供与OCXO相同的气流和快速温度转换性能水平。

 

短期保持性能
保持是PTP从设备丢失与PTP主设备的连接并且正在运行本地振荡器的状态。保持同步循环冻结频率更新并保持最后已知的良好值。 短期保持可能从几秒到几小时不等。 短期保留可能有多种原因:


· 当PTP主站在网络中丢失时,会发生主站更改。当从设备在某个预先配置的时间内没有收到来自主设备的通告消息时,将触发该条件。超时时,域中的所有PTP设备(仅限从设备)开始发送通告消息并运行最佳主时钟算法(BMCA)以确定接管PTP主机角色的最佳PTP设备。 典型的保持时间范围从几秒到几分钟。

设备故障或重新配置可能需要更长时间,最多几个小时才能完成维护。

在保持期间,时钟应将时间误差保持在所需的限制范围内。由于本地振荡器是自由运行的,因此保持性能是本地振荡器特性的直接反映。 11说明了振荡器特性与保持时间误差之间的关系。

 

频率过温特性定义了振荡器输出频率如何随时间变化以响应某个温度曲线。振荡器的漂移称为1天或短期老化决定了恒定温度下频率如何随时间漂移。这两个分量以零时间为参考并求和以获得时间频率变化的结果特征,随后在时间上积分以获得相位偏差并使用2πfc转换因子从弧度转换为时间单位,其中fc是载波频率。为了完成图像,随机相位噪声被转换为时域并添加到时间误差函数中。

 

在许多应用(如LTE eNodeB)所需的1.5μs保持规范的背景下,高质量TCXO的短期老化和相位噪声可忽略不计。在这种情况下,主要因素是由于温度变化引起的频率变化,如图12所示。它显示了由底部显示的某个温度曲线引起的保持时间误差的模拟。该数据表明,在0.5°C / min的温度斜坡下,在12分钟内将环境温度改变6°C,保持时间从3到10分钟不等,具体取决于频率斜率(ΔF/ΔT)。 振荡器。由于ΔF/ΔT的定义是对温度变化的频率敏感性,因此它是决定保持时间的关键规范。

13显示了许多TCXO的测量ΔF/ΔT。 SiTime MEMS精密TCXO采用高分辨率七阶温度补偿设计,可实现良好控制的频率温度特性平滑形状,保证OCXO级ΔF/ΔT。温度变化在电信设备运行的环境中受到限制; 因此,整个工作温度范围内的频率稳定性规格与应用性能的关系较小。SiTime MEMS TCXO提供与±10 ppb OCXO相同的PTP性能,但具有更低功耗,更小尺寸和更优惠价格的优势。

 

结论
同步是电信系统最重要的要求之一。SyncE和IEEE 1588是为现代系统提供同步的最常用技术。 这两种技术都需要高质量的TCXO,以在各种环境条件下保持性能。 SiTime MEMS TCXO旨在解决石英TCXO无法解决的环境敏感问题。

许多PTP应用采用石英OCXO,因为石英TCXO无法提供相同水平的频率斜率和气流灵敏度性能。MEMS TCXO现在可以替代这些应用中的石英OCXO。MEMS TCXO对快速温度瞬变,气流,振动和其他外部因素的出色稳健性使其成为确保SyncE应用的任何环境中的性能和良好裕量的完美选择。


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