SiTime硅晶振的自適應(yīng)漂移補(bǔ)償

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為了加速SiTime MEMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及，讓中國電子工程師能快速體驗MEMS硅晶振的高穩(wěn)定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動等更多優(yōu)勢，SiTime公司聯(lián)合本土半導(dǎo)體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費(fèi)樣品申請，小批量試產(chǎn)、現(xiàn)貨應(yīng)急、特價申請、技術(shù)支持等便捷服務(wù)，更多信息請訪問www.sitimechina.com，客戶服務(wù)熱線400-888-2483。

移動寬帶和電信網(wǎng)絡(luò)依靠稱為 Stratum 時鐘的高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的定時源來滿足表 1 中所示的嚴(yán)格相位和同步要求。 在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中，有一個可追溯到 Stratum-1 的主要參考時鐘源 (PRS)或銫原子鐘。一個典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計時時鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準(zhǔn)確的上游 Stratum-2 時鐘。每個 Stratum 級別的時鐘必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和 20 年以上的長期老化。Stratum-n 精度和保持規(guī)范的詳細(xì)信息在以下部分中描述。

簡介

移動寬帶和電信網(wǎng)絡(luò)依靠稱為 Stratum 時鐘的高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的定時源來滿足表 1 中所示的嚴(yán)格相位和同步要求。在典型的網(wǎng)絡(luò)部署中，有一個主要參考時鐘源 (PRS) 可追溯到 Stratum- 1 或銫原子鐘。 一個典型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計時時鐘源：Stratum-3 或 -3E 源自更準(zhǔn)確的上游 Stratum-2 時鐘。 每個 Stratum 級別的時鐘必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率穩(wěn)定性和 20 年以上的長期老化。 Stratum-n 精度和保持規(guī)范的詳細(xì)信息在以下部分中描述。

表 1：LT+/5G 網(wǎng)絡(luò)中的頻率和相位要求

*Network = Fronthaul/Backhaul, Air = Air interface from Antenna to UE (RF)

每個派生的 Stratum-n 時鐘，n = 3，3E 使用本地恒溫振蕩器 (OCXO) 作為備用時鐘源，以防丟失更高精度的上游 Stratum-1 或 -2 時鐘。 通常，主要時鐘參考 (PCR) 丟失的持續(xù)時間在 30 分鐘到 24 小時的范圍內(nèi)。 Stratum-3/3E 時鐘的這種狀態(tài)稱為“保持”模式。

圖 1：時鐘的概念框圖顯示了振蕩器在保持中的作用

由于 OCXO 必須在主時鐘丟失的情況下保持或“保持”定時同步，因此在承載 PCR 的鏈路恢復(fù)之前，OCXO 表現(xiàn)出與上游 Startum-2 時鐘一樣好的定時特性至關(guān)重要。 當(dāng) OXCO“保持”最后一個同步或同步頻率時，Stratum 時鐘的狀態(tài)稱為“保持”狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)中的時序參考源

無線網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的所有同步分布式時鐘都可追溯到 PRTC（主參考時鐘）或可追溯到 Stratum-1 時鐘的 PRC[2]。 各種 Stratum 級別時鐘及其關(guān)系如圖 2 所示。

圖 2：電信網(wǎng)絡(luò)中的同步層次結(jié)構(gòu)

Stratum 0：一種基于銫原子的參考時鐘源，它中繼 UTC（協(xié)調(diào)世界時）并且?guī)缀鯖]有延遲，被稱為 0 層設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)上不能使用 Stratum-0 服務(wù)器； 相反，它們直接連接到作為主要時間服務(wù)器運(yùn)行的計算機(jī)。

Stratum 1：網(wǎng)絡(luò)中最準(zhǔn)確的時鐘源。 頻率精度為 UTC 的 ±0.01 ppb。 也稱為主參考時鐘 (PRC)，用于核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。 PRC 被鎖定到可追溯到 Stratum-0 原子鐘的 GPS/GNSS 接收器時鐘。

Stratum 2：接收來自PRC的同步信號，具有良好的保持能力。 頻率精度為 ±16 ppb。 也稱為樓宇綜合計時源 (BITS)，用于中央辦公室。

Stratum 3：使用線路定時時鐘恢復(fù)技術(shù)從 BITS 接收同步信號，并具有合理的保持能力。 頻率精度為 ±4.6 ppm。 也稱為網(wǎng)元從時鐘 (NES)，用于移動交換中心。 有兩種基于頻率穩(wěn)定性的變體：頻率穩(wěn)定性為 ±300 ppb 的 Stratum-3 和頻率穩(wěn)定性為 ±10 ppb 的 Stratum-3E。

滯留類型和影響因素

保持振蕩器的特征在于兩個關(guān)鍵性能參數(shù)：

1. 頻率保持——保持期間的最大頻率偏差。 頻率偏差是從進(jìn)入保持狀態(tài)之前的平均頻率測量。

2. 時間保持 – 保持期間參考同步參考 (PRC) 的時間誤差 (TE) 累積。

由于上述影響因素的綜合影響導(dǎo)致的時間誤差可以按照以下等式進(jìn)行預(yù)測：

由于環(huán)境溫度變化引起的頻率漂移程度由振蕩器的頻率與溫度斜率 (ΔF/ΔT) 決定。 鑒于精密 OCXO 的 ppt 級 ΔF/ΔT 值和保持期間溫度的微小變化 (±1°C)，溫度變化引起的頻率漂移對整體保持性能有良性影響，可以忽略不計。

艾倫方差 (AVAR) 表征設(shè)備在恒定環(huán)境條件下的短期頻率穩(wěn)定性。 AVAR 是一種統(tǒng)計指標(biāo)，用于量化 OCXO 固有的低頻噪聲過程。 因為這個保持影響因素是一個隨機(jī)實(shí)體并且很難補(bǔ)償，所以它不在本文的范圍內(nèi)。

老化是保持振蕩器在恒定環(huán)境條件下的長期頻率漂移，直接受 OCXO 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的影響。 本文討論了通過自適應(yīng)補(bǔ)償保持振蕩器的長期漂移來擴(kuò)展現(xiàn)成的低成本 TCXO 或 OCXO 保持性能的技術(shù)。

以下部分重點(diǎn)介紹領(lǐng)先 OCXO（例如 SiTime SiT5711）的老化曲線，并提供有關(guān)自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的指導(dǎo)，以擴(kuò)展精密 OCXO 的老化相關(guān)保持性能。

OCXO 的老化曲線

為了自適應(yīng)地補(bǔ)償每日漂移，必須了解在不同操作條件下每日漂移曲線如何隨時間變化。

有幾個因素會影響老化曲線：

1. 回流焊轉(zhuǎn)移——這種影響是短期的，通常需要 24 到 48 小時讓封裝去應(yīng)力

2. 工作溫度影響——每日漂移在較低溫度下更好

3 . 存儲影響 - 配置文件與振蕩器保存或不工作（未通電）的時間以及存儲溫度直接相關(guān)

4. 回掃影響 - 取決于振蕩器通電的時間和持續(xù)時間 它保持?jǐn)嚯姡袷幤鲗⒃诿總€電源開/關(guān)周期顯示不同的配置文件

OCXO 的典型老化曲線顯示為在 85°C 恒定環(huán)境溫度下 30 天的頻率偏差分?jǐn)?shù)圖，如圖 3 所示。該圖顯示了從標(biāo)稱偏移消除后的頻率偏差。 此外，在設(shè)備通電后一小時測量頻率，以消除與焊料偏移相關(guān)的偽影。

圖 3：老化曲線顯示 SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的頻率偏差與時間； 開機(jī)一小時測得的頻率

隨著振蕩器老化或保持運(yùn)行時間超過幾個小時，該曲線呈現(xiàn)線性每日漂移趨勢。 此外，根據(jù)情節(jié)，每日漂移從通電后 2 小時減慢到 5 小時。 我們將使用此老化曲線特征來應(yīng)用我們在下一節(jié)中描述的自適應(yīng)補(bǔ)償方法。

自適應(yīng)補(bǔ)償方法

自適應(yīng)補(bǔ)償頻率漂移的基本前提有兩個：

1. 使用比 OCXO 精確一個數(shù)量級的系統(tǒng)定時參考進(jìn)行連續(xù)和精確的頻率測量。 在系統(tǒng)進(jìn)入保持狀態(tài)之前，這些定時參考可以來自 GPS/GNSS 接收器或 SyncE 鏈路上的 PTP 時間戳。

2. 將每日漂移建模為線性趨勢，以便在時鐘進(jìn)入保持狀態(tài)后只能自適應(yīng)地預(yù)測斜率。 這種線性模型假設(shè)基于這樣一個事實(shí)，即在運(yùn)行幾天后，大多數(shù) OCXO 表現(xiàn)出線性每日漂移曲線，如圖 4 所示。

圖 4：SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的老化圖，顯示了應(yīng)用自適應(yīng)補(bǔ)償來預(yù)測開機(jī)后約 5 小時保持期間的每日速率

自適應(yīng)補(bǔ)償 OCXO 的方法歸結(jié)為以下步驟：

1. 基于連續(xù)和精確的測量，參考標(biāo)稱頻率確定以 ppb/天為單位的每日老化率。

2. 生成一個以秒為單位的時間向量，其分辨率與步驟 1 中獲取的頻率數(shù)據(jù)一致。

3. 在保持期間，預(yù)測由于每日老化引起的頻率變化，將步驟 1 中的老化率乘以步驟 2 中的時間向量中的步長。

實(shí)現(xiàn)上述過程的數(shù)學(xué)說明如圖 5 所示。

圖 5：使用每日漂移的線性模型進(jìn)行老化補(bǔ)償?shù)膱D示

結(jié)論

隨著下一代無線網(wǎng)絡(luò)對時間和頻率同步的嚴(yán)格要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時鐘設(shè)計者應(yīng)用自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)來預(yù)測保持狀態(tài)期間的頻率變化以消除或減少老化對時間誤差的影響至關(guān)重要。 此處介紹的自適應(yīng)補(bǔ)償方法基于系統(tǒng)中精確時鐘參考的可用性，該系統(tǒng)用于進(jìn)行精確的分?jǐn)?shù)頻率偏差測量，以及已老化至少幾個小時的 OCXO 每日老化曲線的線性模型。 進(jìn)入保持模式之前的系統(tǒng)。

關(guān)于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時鐘解決方案的Fabless半導(dǎo)體設(shè)計公司。公司成立于2005年，于2019年在美國納斯達(dá)克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過20億片，占據(jù)全球MEMS硅晶振市場90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術(shù)與CMOS半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，依托先進(jìn)的堆疊封裝工藝制作而成。無需更改PCB設(shè)計,即可P2P完全替代所有傳統(tǒng)石英振蕩器產(chǎn)品。大尺度頻率覆蓋范圍、國際標(biāo)準(zhǔn)封裝、靈活的產(chǎn)品組合，快捷的可編程交付方式。所有產(chǎn)品可在24小時內(nèi)提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應(yīng),實(shí)現(xiàn)更高性能時鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩(wěn)定的性能和超高的性價比成為了大多數(shù)高性能主控芯片的理想時鐘選擇和強(qiáng)健的心臟。不僅可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)調(diào)試成本，而能降低未來產(chǎn)品返修風(fēng)險，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

關(guān)于SiTime樣品中心

SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯(lián)合北京晶圓電子有限公司共同創(chuàng)立，并由晶圓電子全權(quán)負(fù)責(zé)全面運(yùn)營、客戶服務(wù)以及國內(nèi)的交付任務(wù)。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場在大中華地區(qū)的應(yīng)用普及,助力中國客戶產(chǎn)品時鐘解決方案升級換代。提供售前售后技術(shù)服務(wù)、24小時快速供樣、以及國內(nèi)中小批量現(xiàn)貨支持和重要客戶的全方位策略服務(wù)。更多資訊可訪問SiTime樣品中心官網(wǎng)(www.sitimechina.com)。