SiTime硅晶振的自适应漂移补偿

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为了加速SiTime MEMS硅晶振产品的应用普及，让中国电子工程师能快速体验MEMS硅晶振的高稳定性、高可靠性、超小封装、超低功耗、超低抖动等更多优势，SiTime公司联合本土半导体分销商北京晶圆电子有限公司共同建立SiTime样品中心，为用户提供免费样品申请，小批量试产、现货应急、特价申请、技术支持等便捷服务，更多信息请访问www.sitimechina.com，客户服务热线400-888-2483。

移动宽带和电信网络依靠称为 Stratum 时钟的高度稳定和准确的定时源来满足表 1 中所示的严格相位和同步要求。 在典型的网络部署中，有一个可追溯到 Stratum-1 的主要参考时钟源 (PRS)或铯原子钟。一个典型的网络节点计时时钟源：Stratum-3 或 -3E 源自更准确的上游 Stratum-2 时钟。每个 Stratum 级别的时钟必须满足标准规定的频率稳定性和 20 年以上的长期老化。Stratum-n 精度和保持规范的详细信息在以下部分中描述。

简介

移动宽带和电信网络依靠称为 Stratum 时钟的高度稳定和准确的定时源来满足表 1 中所示的严格相位和同步要求。在典型的网络部署中，有一个主要参考时钟源 (PRS) 可追溯到 Stratum- 1 或铯原子钟。 一个典型的网络节点计时时钟源：Stratum-3 或 -3E 源自更准确的上游 Stratum-2 时钟。 每个 Stratum 级别的时钟必须满足标准规定的频率稳定性和 20 年以上的长期老化。 Stratum-n 精度和保持规范的详细信息在以下部分中描述。

表 1：LT+/5G 网络中的频率和相位要求

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

每个派生的 Stratum-n 时钟，n = 3，3E 使用本地恒温振荡器 (OCXO) 作为备用时钟源，以防丢失更高精度的上游 Stratum-1 或 -2 时钟。 通常，主要时钟参考 (PCR) 丢失的持续时间在 30 分钟到 24 小时的范围内。 Stratum-3/3E 时钟的这种状态称为“保持”模式。

图 1：时钟的概念框图显示了振荡器在保持中的作用

由于 OCXO 必须在主时钟丢失的情况下保持或“保持”定时同步，因此在承载 PCR 的链路恢复之前，OCXO 表现出与上游 Startum-2 时钟一样好的定时特性至关重要。 当 OXCO“保持”最后一个同步或同步频率时，Stratum 时钟的状态称为“保持”状态。

网络中的时序参考源

无线网络中每个节点的所有同步分布式时钟都可追溯到 PRTC（主参考时钟）或可追溯到 Stratum-1 时钟的 PRC[2]。 各种 Stratum 级别时钟及其关系如图 2 所示。

图 2：电信网络中的同步层次结构

Stratum 0：一种基于铯原子的参考时钟源，它中继 UTC（协调世界时）并且几乎没有延迟，被称为 0 层设备。 网络上不能使用 Stratum-0 服务器； 相反，它们直接连接到作为主要时间服务器运行的计算机。

Stratum 1：网络中最准确的时钟源。 频率精度为 UTC 的 ±0.01 ppb。 也称为主参考时钟 (PRC)，用于核心网络的网关。 PRC 被锁定到可追溯到 Stratum-0 原子钟的 GPS/GNSS 接收器时钟。

Stratum 2：接收来自PRC的同步信号，具有良好的保持能力。 频率精度为 ±16 ppb。 也称为楼宇综合计时源 (BITS)，用于中央办公室。

Stratum 3：使用线路定时时钟恢复技术从 BITS 接收同步信号，并具有合理的保持能力。 频率精度为 ±4.6 ppm。 也称为网元从时钟 (NES)，用于移动交换中心。 有两种基于频率稳定性的变体：频率稳定性为 ±300 ppb 的 Stratum-3 和频率稳定性为 ±10 ppb 的 Stratum-3E。

滞留类型和影响因素

保持振荡器的特征在于两个关键性能参数：

1. 频率保持——保持期间的最大频率偏差。 频率偏差是从进入保持状态之前的平均频率测量。

2. 时间保持 – 保持期间参考同步参考 (PRC) 的时间误差 (TE) 累积。

由于上述影响因素的综合影响导致的时间误差可以按照以下等式进行预测：

由于环境温度变化引起的频率漂移程度由振荡器的频率与温度斜率 (ΔF/ΔT) 决定。 鉴于精密 OCXO 的 ppt 级 ΔF/ΔT 值和保持期间温度的微小变化 (±1°C)，温度变化引起的频率漂移对整体保持性能有良性影响，可以忽略不计。

艾伦方差 (AVAR) 表征设备在恒定环境条件下的短期频率稳定性。 AVAR 是一种统计指标，用于量化 OCXO 固有的低频噪声过程。 因为这个保持影响因素是一个随机实体并且很难补偿，所以它不在本文的范围内。

老化是保持振荡器在恒定环境条件下的长期频率漂移，直接受 OCXO 结构和构造的影响。 本文讨论了通过自适应补偿保持振荡器的长期漂移来扩展现成的低成本 TCXO 或 OCXO 保持性能的技术。

以下部分重点介绍领先 OCXO（例如 SiTime SiT5711）的老化曲线，并提供有关自适应补偿技术的指导，以扩展精密 OCXO 的老化相关保持性能。

OCXO 的老化曲线

为了自适应地补偿每日漂移，必须了解在不同操作条件下每日漂移曲线如何随时间变化。

有几个因素会影响老化曲线：

1. 回流焊转移——这种影响是短期的，通常需要 24 到 48 小时让封装去应力

2. 工作温度影响——每日漂移在较低温度下更好

3 . 存储影响 - 配置文件与振荡器保存或不工作（未通电）的时间以及存储温度直接相关

4. 回扫影响 - 取决于振荡器通电的时间和持续时间 它保持断电，振荡器将在每个电源开/关周期显示不同的配置文件

OCXO 的典型老化曲线显示为在 85°C 恒定环境温度下 30 天的频率偏差分数图，如图 3 所示。该图显示了从标称偏移消除后的频率偏差。 此外，在设备通电后一小时测量频率，以消除与焊料偏移相关的伪影。

图 3：老化曲线显示 SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的频率偏差与时间； 开机一小时测得的频率

随着振荡器老化或保持运行时间超过几个小时，该曲线呈现线性每日漂移趋势。 此外，根据情节，每日漂移从通电后 2 小时减慢到 5 小时。 我们将使用此老化曲线特征来应用我们在下一节中描述的自适应补偿方法。

自适应补偿方法

自适应补偿频率漂移的基本前提有两个：

1. 使用比 OCXO 精确一个数量级的系统定时参考进行连续和精确的频率测量。 在系统进入保持状态之前，这些定时参考可以来自 GPS/GNSS 接收器或 SyncE 链路上的 PTP 时间戳。

2. 将每日漂移建模为线性趋势，以便在时钟进入保持状态后只能自适应地预测斜率。 这种线性模型假设基于这样一个事实，即在运行几天后，大多数 OCXO 表现出线性每日漂移曲线，如图 4 所示。

图 4：SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的老化图，显示了应用自适应补偿来预测开机后约 5 小时保持期间的每日速率

自适应补偿 OCXO 的方法归结为以下步骤：

1. 基于连续和精确的测量，参考标称频率确定以 ppb/天为单位的每日老化率。

2. 生成一个以秒为单位的时间向量，其分辨率与步骤 1 中获取的频率数据一致。

3. 在保持期间，预测由于每日老化引起的频率变化，将步骤 1 中的老化率乘以步骤 2 中的时间向量中的步长。

实现上述过程的数学说明如图 5 所示。

图 5：使用每日漂移的线性模型进行老化补偿的图示

结论

随着下一代无线网络对时间和频率同步的严格要求，网络节点时钟设计者应用自适应补偿技术来预测保持状态期间的频率变化以消除或减少老化对时间误差的影响至关重要。 此处介绍的自适应补偿方法基于系统中精确时钟参考的可用性，该系统用于进行精确的分数频率偏差测量，以及已老化至少几个小时的 OCXO 每日老化曲线的线性模型。 进入保持模式之前的系统。

关于SiTime公司

SiTime是一家专注于全硅MEMS时钟解决方案的Fabless半导体设计公司。公司成立于2005年，于2019年在美国纳斯达克上市。截至2021年底，全球累积出货量已超过20亿片，占据全球MEMS硅晶振市场90%以上份额。

SiTime采用MEMS技术与CMOS半导体技术相结合，依托先进的堆叠封装工艺制作而成。无需更改PCB设计,即可P2P完全替代所有传统石英振荡器产品。大尺度频率覆盖范围、国际标准封装、灵活的产品组合，快捷的可编程交付方式。所有产品可在24小时内提供32KHz--725MHz任一频率样品供应,实现更高性能时钟样品的快速交付。SiTime硅晶振以稳定的性能和超高的性价比成为了大多数高性能主控芯片的理想时钟选择和强健的心脏。不仅可以缩短研发周期，节约开发调试成本，而能降低未来产品返修风险，快给你的电路换上一颗SiTime硅晶振吧。

关于SiTime样品中心

SiTime样品中心成立于2014年，由SiTime公司联合北京晶圆电子有限公司共同创立，并由晶圆电子全权负责全面运营、客户服务以及国内的交付任务。SiTime样品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市场在大中华地区的应用普及,助力中国客户产品时钟解决方案升级换代。提供售前售后技术服务、24小时快速供样、以及国内中小批量现货支持和重要客户的全方位策略服务。更多资讯可访问SiTime样品中心官网(www.sitimechina.com)。