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より堅牢な Stratum 3E OCXO

先週のブログでは、OCXO の基本、つまり OCXOがどのようにして正確な安定性を実現するのか、また特に基板設計者にとってどのように頭痛の種を引き起こす可能性があるのかについて説明しました。ここでは、安定性に関連する仕様に焦点を当てて、通信アプリケーションのタイミング要件について詳しく説明します。そして、画期的な新しい Stratum 3E ソリューションであるEmerald Platform™ OCXOの詳細を明らかにします [1]。

それでは、通信にとって最も重要なパラメータは何でしょうか?まずは基本から始めましょう。発振器の最も基本的な仕様である周波数安定性です。この仕様は、外部条件による出力周波数の偏差を表します。安定性の数値が小さいほど、パフォーマンスが優れていることを意味します。 OCXO の場合、周波数安定性は通常、10 億分の 1 (ppb) で表されます。

温度変化は周波数偏差の主な原因の 1 つです。次のプロットでは、SiTime MEMS ベースの Emerald OCXO を含む 4 つの異なる同様の定格デバイスについて、-40 ° C から +85 ° C までの温度にわたる周波数安定性 (温度上昇時と温度低下時) (ヒステリシス) を示します。 Emerald デバイス (緑色の線で表示) のパフォーマンスは、デルタがわずか 1.5 ppb で、次に近い OCXO よりも 4 倍優れています。  

Emerald デバイスは優れた周波数安定性を備えており、これは同期イーサネット (ITU-T G.8262) や IEEE 1588 などの同期アプリケーションにとって重要です。この安定性により、システムがホールドオーバーによってフリーラン状態にあるときに発振器が安定したクロックを保持できるようになります。 2]ネットワーク障害状態時。しかし、より重要なのは、急激な温度変化、機械的振動、またはクロックのパフォーマンスに影響を与える可能性のあるその他の動的条件など、実際の動作条件下でこの安定性を維持することです。

高精度発振器の重要な指標である周波数と温度の傾きを詳しく見てみましょう。 ΔF/ΔT とも呼ばれるこの測定は、温度変化に対する発振器の感度を 1 ° C 刻みで定量化します。ここでも、周波数の偏差を表すため、数値が小さいほど優れています。エメラルド製品の評価はわずか50 ppt/℃ (ppt = 兆分の 1) です。以下のプロットは、同じ 3 つの石英 OCXO と比較した Emerald OCXO のΔF/ΔT性能を示しています。

通信システムでは、大量の熱を発生する高性能コンポーネントが使用されており、冷却ファンが必要です。プロセッサーがサイクルし、ファンがオンまたはオフになると、重大な温度過渡現象が発生する可能性があります。しかし、システム内部の温度が予期せぬ極端な外部気象条件によって悪化した場合はどうなるでしょうか?あるいは、冷却ファンが故障して内部温度が大幅に上昇した場合に何が起こるかを考えてみましょう。次のプロットは、通常の工業用動作温度範囲を超えると、エメラルドおよびクォーツ OCXO がどのように動作するかを示しています。

時間領域での安定性

周波数領域から時間領域に切り替えて、通信エンジニアにとってもう 1 つの重要な指標であるアラン偏差 (ADEV) を見てみましょう。 ADEV は時間領域での発振器の安定性の尺度であり、短期周波数安定性と呼ばれることもあります。 ADEV が使用されるのは、標準偏差と比較して、より多くの種類の発振器ノイズに対して収束するためです。これは、位相変調、周波数変調、ランダム ウォーク周波数などを考慮します。 10 秒の平均時間での 2e-11 ADEV により、Emerald デバイスは驚くほど一貫したパフォーマンスを維持します。以下のプロットは、エアフローがある場合とない場合の Emerald デバイスのパフォーマンスを示しています。

電気通信アプリケーションのその他の一般的なタイミング安定性指標には、TDEV (時間偏差) や MTIE (最大時間間隔誤差) などがあります。 Emerald OCXO は、エアフローの有無にかかわらず、これらの測定の標準として設定された指定された ITU-T G.8262 EEC2 マスク内で良好に性能を発揮します。 Emerald 製品概要をダウンロードして、TDEV および MTIE プロットを確認してください。

温度変化を超えた堅牢性

Emerald OCXO は、気流や急激な温度変化に対する耐性に加えて、周波数のシフトを引き起こす可能性がある振動の影響をほとんど受けません。通信機器は、特に屋外に設置される場合、振動にさらされることが多いため、この回復力は非常に重要です。風、大型車両、電車は、さまざまな振動源のほんの一例にすぎません。エメラルド製品の偏差はわずか 0.1 ppb/ gであるため、屋外のポールマウント機器に最適です。

発振器の安定性に大きな影響を与える外部要因のほかに、外部環境条件が一定に保たれている場合でも、時間の経過とともに発振器周波数を変化させる発振器内部の変化が発生する可能性があります。これを老化といいます。 Emerald OCXO は、 1 日あたり± 0.25 ppb のエージングおよび20 年間のエージングで± 500 ppb という優れたエージング仕様を備えています。

エメラルド製品は湿気の影響も受けないため、漏れが発生しやすい従来の石英 OCXO のような追加のシーリングは必要ありません。また、Emerald デバイスにはオンチップ レギュレータが搭載されているため、クロックのパフォーマンスを低下させる可能性がある電源ノイズの影響を受けません。そのため、外部 LDO やフェライト ビーズは必要ありません。最後に、Emerald 製品はシリコン MEMS 共振器を使用しているため、半導体レベルの品質を備えており、石英 OCXO のようなバッチ間の不整合が発生しません。

急速に変化する状況に伴う長年の問題を解決する

Emerald Platform は、幅広い動的条件に耐えます。これらのデバイスは、従来の石英 OCXO が耐えられなかった過酷な環境でも安定性を維持できるように構築されています。通信機器メーカーは、タイミング コンポーネントがシステム内で最も弱い部分であることを心配する必要がなくなりました。また、サービス プロバイダーは、タイミングによるシステム障害やサービスの中断についてあまり心配する必要がなくなります。 Emerald OCXO は、バッチ間、および環境間で一貫して安定したパフォーマンスを提供します。

OCXO に関するシリーズの次のブログでは、新しい MEMS OCXO がプログラマビリティ、サイズ、電力に関する独自の利点によってどのように設計と開発を容易にするかを学びます。

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[1] Stratum 3 クロックのフリーラン安定性は 20 年間で ±4.6 ppm、ホールドオーバー要件は 24 時間で ±0.37 ppm (±370 ppb) で、いずれもすべての条件下での周波数誤差を含みます。 Stratum 3E は Stratum 3 のより正確なバージョンで、フリーラン安定性は同じ ±4.6 ppm ですが、24 時間のホールドオーバー仕様で ±0.012 ppm (±12 ppb) であり、Stratum 3 よりも 37 倍厳密です。

[2] ホールドオーバーは、外部の高精度周波数および/または時間基準に同期しており、この基準信号を一時的に失ったシステムによって使用される動作モードです。局部発振器は、外部基準が失われた後、システム内で定義された制限内で安定した周波数および/または時間を維持またはホールドオーバーする機能を備えている必要があります。

タイミング用語の詳細については、 「Glossary of Oscillator Terminology」をダウンロードしてください。

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この記事への貢献については、カスタマー エンジニアリング担当ディレクターの Jim Holbrook に感謝します。