暑くなっても涼しく保ち、限界を超えて動作します
携帯電話基地局が 1 つしかない遠隔地にいて、ワイヤレス インフラストラクチャに障害が発生したときに緊急電話をかける必要があることを想像してください。新世代のワイヤレス通信ではタイミング要件に対するプレッシャーがさらに高まるため、この障害は同期とタイミングの問題によって引き起こされる可能性があります。
無線インフラストラクチャ機器の場合のように、正確な安定性が必要な場合、設計者は多くの場合、TCXO (温度補償発振器*) や OCXO (オーブン制御発振器**) を利用します。これらの発振器は、温度変化に対する周波数安定性が向上するように設計されています。高熱と温度変動は、発振器の不安定性を引き起こす主な原因の一部です。しかし、一般に産業用アプリケーションの上限温度と考えられている +85°C を超える定格動作温度を備えた TCXO および OCXO を見つけるのは困難です。
85°Cは高いように思えるかもしれませんが、今日のより高密度な動作環境では、システム エンクロージャ内の周囲温度が急速に上昇する可能性があります。たとえば、通信機器やネットワーク機器は、高密度の高温環境で動作します。これらのシステムの多くは、アクティブ冷却 (最も一般的なものの 1 つであるブラシレス DC ファン) を使用して、温度を指定された動作範囲内に維持します。
それでも、これらの冷却ファンはホスト システムの電子コンポーネントに比べて MTBF が低いため、フェールセーフではなく、さまざまな理由で誤動作する可能性があります。このリスクがあるため、システムにハートビートを提供する発振器などの重要なコンポーネントが障害状況下でどのように動作するかを知ることが重要です。
限界を超える
この目的を達成するために、私たちはさまざまな発振器の限界を押し広げ、定格動作範囲を超えた安定性を測定しました。 +85 ° C 定格の TCXO デバイスを +125 ° C までテストし、+85 ° C から +105 ° C まで定格の OCXO をテストしました。次のプロットは、これらのより高い温度でのパフォーマンスの低下を示しています。 。各テストでは、SiTime MEMS 発振器 (緑色の線で表示) を、すべて同じクラスで同じ温度定格を持つさまざまなベンダーの水晶発振器と比較します。比較を容易にするために、各デバイスの値は、同じ点から始まる +85 ° C での周波数を参照しています。
上の図は、5 つの産業用定格 TCXO デバイスの +85 ° C ～ +125 ° C での周波数安定性を示しています。 MEMS ベースのSiT5356 Elite Platform™ Super-TCXO は、ほとんど劣化がありません。対照的に、石英 TCXO の安定性は数万 ppb の範囲まで低下します。
水晶発振器では周波数オフセットが非常に極端であるため、上の垂直 y 軸には非常に広いオフセット範囲が示されています。下の図では、同じテストを拡大して示していますが、定格温度範囲外で石英ベースのデバイスの安定性がどのように急速に低下するかをよりわかりやすく示すために、y 軸のスケールが異なります。
上に示したように ppb (10 億分の 1) 単位のオフセットで測定される周波数安定性は、発振器の重要な性能仕様です。高精度発振器のもう 1 つの重要な指標は、周波数対温度の傾き (ΔF/ΔT) です。 IEEE 1588 を使用した時間と周波数の転送が必要なシステムでは、ΔF/ΔT が向上すると時間誤差の改善に役立ちます。
次の図は、同じ 5 つの工業用定格 TCXO デバイスの +85 ° C から +125 ° C までの傾き ( ΔF/ΔT)を示しています。ここでも、値は +85 ° C での周波数オフセットを参照しています。また、水晶ベースのデバイスの安定性は、定格温度を超えると急速に低下します。周波数変化率は、+85 ° C ～ +95 ° C の 10 ppb/ ° C から、+125 ° C ではほぼ 3000 ppb/ ° C まで増加します。対照的に、MEMS ベースの SiT5356 は 2 よりも良い傾きを示します。 +105 ° C までは ppb/ ° C、+125 ° C ではわずか 8 ppb/ ° C まで増加します。+85 ° C から 125 ° C までの合計周波数変化はわずか 50 ppb です。
次のプロットに示すように、OCXO デバイスをテストするときにも同様の動作が見られます。ここでは、4 つの産業用定格 OCXO デバイスの性能を +85 ° C ～ +125 ° C で比較します。石英ベースのデバイスの安定性は、温度が定格温度範囲を超えると低下し始めますが、MEMS ベースのSiT5711 Emerald は、温度が定格温度範囲を超えると安定性が低下し始めます。 Platform™ OCXO は安定性を維持します。
以下に、同じ4 つの工業用定格 OCXO デバイスの +85 ° C ～ +125 ° C でのΔ F/ Δ Tを示します。石英デバイスの周波数勾配は最大 30 ppb/ ° C まで低下します。対照的に、MEMS- SiT5711 ベースの OCXO は、+105 ° C まで定格安定性を維持し、勾配は 0.5 ppb/ ° C 未満です。
システムへの影響
TCXO および OCXO は、高安定性の周波数基準が必要な携帯電話基地局などのアプリケーションで使用されます。冷却システムの故障の可能性があるため、高温に耐え、そのような事態が発生した際にシステムの機能を維持できるタイミング ソリューションを用意することが重要です。障害状態に耐えるだけでなく、OCXO および TCXO の拡張温度動作により、システムの堅牢性と信頼性が大幅に向上したり、冷却ファンをまったく必要としないシステムを実現したりできます。
5G インフラストラクチャがより高密度で制御の少ない場所に展開されるため、次世代通信システムでは高熱やその他の過酷な条件に対する耐性がますます重要になっています。高温でも「冷却状態を保つ」発振器を備えた SiTime のタイミング技術は、過酷な環境に設置される機器に必要な堅牢性を提供します。
アプリケーション ノートAN10063 TCXO および OCXO の安定性低下をダウンロードして、上記の各プロットの拡大表示、商用温度グレード TCXO を使用した追加プロット、デバイス間の変動データを含む幅広いサンプル セットなどの詳細を確認してください。
…………………………………………………………。
この記事への貢献については、SiTime のソフトウェア エンジニア、Anton Prygrodskyi に感謝します。
関連ブログ
Elite Super-TCXO ファミリはサポート温度を 105°C まで拡張
……………………………………………………。
※TCXOとは、発振子の周波数対温度特性を補償する温度補償機能を備えた発振器です。この補償により、TCXO は補償されていない発振器よりも優れた周波数安定性を実現できます。 TCXO の周波数安定性の範囲は ±0.05 ppm ～ ±5 ppm です。これらのデバイスは、高性能通信機器やネットワーク機器など、高精度のタイミング基準が必要なアプリケーションで使用されます。
** OCXO は、周囲温度が変化しても発振器の温度をほぼ一定に維持するための温度補償とオーブン処理を提供します。これらのデバイスは、加熱された筐体内に温度感知および補償回路とともに共振器を密閉します。この温度補償とオーブン化により、OCXO は 0.05 ppb ～ 200 ppb の範囲で非常に優れた周波数安定性を達成できます。