SiTime硅晶振TCXO溫度穩(wěn)定性和頻率精度計(jì)算

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1 簡介

溫度補(bǔ)償振蕩器 (TCXO) 用于通常需要 5 ppm 或更高頻率穩(wěn)定性的系統(tǒng)中的頻率參考。 通常，這些系統(tǒng)中的頻率精度必須保持在考慮到 TCXO 頻率漂移的時(shí)序預(yù)算內(nèi)。業(yè)界通常定義一組頻率穩(wěn)定性參數(shù)，以量化環(huán)境因素和電路條件對參考振蕩器的影響。 本文解釋了 SiTime TCXO 數(shù)據(jù)表中的頻率穩(wěn)定性規(guī)范以及如何計(jì)算頻率精度。

2 溫度穩(wěn)定性和頻率精度

SiTime TCXO 數(shù)據(jù)表包括以下頻率穩(wěn)定性規(guī)范：

初始容差 (F_init) 是室溫下與標(biāo)稱頻率的頻率偏差，例如 25±3℃。它是在典型電源電壓和輸出負(fù)載條件下測量的，設(shè)備安裝在印刷電路板 (PCB) 上。 初始容差的主要組成部分是 SiTime 工廠溫度校準(zhǔn)后的殘余頻率誤差和 PCB 焊接引起的頻移。通過在 PCB 回流組裝過程之后使用壓控 TCXO (VCTCXO) 和頻率校準(zhǔn)，可以最大限度地減少初始容差對系統(tǒng)時(shí)序預(yù)算的影響。

溫度穩(wěn)定性 (F_stab) 是由環(huán)境溫度變化引起的頻率漂移，并指定為整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)峰峰值頻率偏差的二分之一。

電源電壓穩(wěn)定性 (F_vdd) 是指由 2.5V 至 3.3V VDD 的 ±10% 或 1.8V VDD 的 ±5% 的電源電壓變化引起的頻移。

輸出負(fù)載穩(wěn)定性 (F_load) 是指由輸出引腳上的負(fù)載電容差異引起的頻移，對于 LVCMOS 輸出振蕩器高達(dá) 15 pF。

總頻率精度 (F_total) 為計(jì)算所有上述參數(shù)的總和。 例如，溫度穩(wěn)定性為 ±2.5 ppm 的 SiT5000 VCTCXO 的整體頻率精度為：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load = 1 + 2.5 + 0.05 + 0.1 = 3.65 ppm。

通過使用 VCTCXO 選項(xiàng)降低系統(tǒng)校準(zhǔn)的初始容差，可以獲得更好的整體頻率精度：F_total = F_stab + F_vdd + F_load = 2.5 + 0.05 + 0.1 = 2.65 ppm。

在使用 TXCO 的應(yīng)用中，溫度穩(wěn)定性通常是頻率誤差的主要來源。 與室溫下的頻率偏移不同，使用簡單的校準(zhǔn)方案無法消除溫度漂移。

3 老化和頻率精度

即使在恒定的工作條件下，TCXO 頻率也會(huì)因器件內(nèi)部的變化而隨時(shí)間變化。 系統(tǒng)預(yù)算中需要用于隨時(shí)間推移的頻移的附加參數(shù)。 最常用的參數(shù)是第一年老化（First year aging）和 10 年老化（10-year aging）。

First year aging規(guī)定了在恒定電源電壓和工作溫度下連續(xù)運(yùn)行一年后，相對于初始頻率的頻移限制，通常為 25℃。

10-year aging規(guī)定了在恒定運(yùn)行條件下連續(xù)運(yùn)行 10 年后相對于初始頻率的頻移限制。 10 年老化規(guī)格是從在 9 到 18 個(gè)月甚至更長的時(shí)間段內(nèi)對一組具有統(tǒng)計(jì)意義的樣本進(jìn)行的頻率測量中推斷出來的數(shù)字。

計(jì)算包括 1 年或 10 年老化（F_aging）的整體頻率精度：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load + F_aging。

例如，SiT5000 2.5 ppm VCTCXO 的第一年老化為±1.5 ppm。 總頻率精度可以計(jì)算為：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load _ F_aging = 1 + 2.5 + 0.05 + 0.1 + 1.5 = 5.15 ppm。 同一 VCTCXO 的 10 年老化為 ±3.5 ppm，這導(dǎo)致 10 年的整體頻率精度為 ±7.15 ppm。

對 TCXO 設(shè)備和系統(tǒng)校準(zhǔn)使用相同的電壓調(diào)諧選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的頻率精度預(yù)算限制。 例如，在 PCB 組裝后去除初始容差并在產(chǎn)品生命周期內(nèi)定期校正與老化相關(guān)的頻移將提高精度。