当事情变热时保持冷静——超越极限操作
想象一下，在只有一个手机信号塔的偏远地区，当无线基础设施出现故障时需要拨打紧急电话！失败可能是由同步和定时问题引起的，因为每一代新一代无线通信的定时要求都面临着更大的压力。
当需要精确的稳定性时（就像无线基础设施设备一样），设计人员通常会转向 TCXO（温度补偿振荡器*）和 OCXO（恒温振荡器**）。这些振荡器旨在随着温度变化提供更好的频率稳定性。高热量和温度变化是导致振荡器不稳定的一些主要原因。然而，很难找到额定工作温度高于 +85°C（通常被认为是工业应用的上限）的 TCXO 和 OCXO。
85°C看似很高，但随着当今操作环境的密集化，系统外壳中的环境温度可能会迅速升高。例如，电信和网络设备在密集的炎热环境中运行。其中许多系统都使用主动冷却（无刷直流风扇是最流行的风扇之一）来将温度保持在指定的工作范围内。
然而，与主机系统中的电子组件相比，这些冷却风扇的 MTBF 较低，但它们并不是自动防故障的，并且可能由于多种原因而发生故障。由于存在这种风险，了解关键组件（例如为系统提供心跳的振荡器）在故障情况下的行为非常重要。
突破极限
为此，我们突破了各种振荡器的极限，测量了超出额定工作范围的稳定性。我们测试了额定温度为 +85 ° C 的 TCXO 器件，并将其提高到 +125 ° C，并测试了额定温度为 +85 ° C 和高达 +105 ° C 的 OCXO。下图显示了在这些较高温度下导致的性能下降。在每次测试中，我们将 SiTime MEMS 振荡器（以绿线显示）与来自不同供应商的石英振荡器进行比较，所有振荡器都属于同一类别且具有相同的温度额定值。为了更容易进行比较，每个设备的值均参考其在 +85 ° C 时的频率，从同一点开始。
上图显示了五种工业级TCXO器件从+85 ℃到+125 ℃的频率稳定性。基于 MEMS 的SiT5356 Elite Platform™ Super-TCXO 几乎没有表现出性能下降。相比之下，石英 TCXO 的稳定性会降低到数万 ppb 范围。
由于石英振荡器的频率偏移非常严重，因此我们在上面的垂直 y 轴上显示了非常宽的偏移范围。在下图中，我们放大显示了相同的测试，但 y 轴上的比例不同，以更好地显示基于石英的器件的稳定性如何在超出额定温度范围时迅速降低。
如上所示，频率稳定性是通过以 ppb（十亿分之一）为单位的偏移量来衡量的，是振荡器的一项关键性能指标。精密振荡器的另一个重要指标是频率与温度的斜率 (ΔF/ΔT)。在需要使用 IEEE 1588 进行时间和频率传输的系统中，更好的 ΔF/ΔT 有助于改善时间误差。
下图显示了相同的五个工业级 TCXO 器件从 +85 ° C 到 +125 ° C 的斜率 ( ΔF/ΔT) 。同样，这些值是指 +85 ° C 时的频率偏移。同样，石英器件的稳定性在超出额定温度时会迅速下降。频率变化率从 +85 ° C 和 +95 ° C 之间的 10 ppb/ ° C 增加到 +125 ° C 时的近 3000 ppb/ ° C。相比之下，基于 MEMS 的 SiT5356 的斜率优于 2 ppb/ ° C 直至 +105 ° C，在 +125 ° C 时增加至仅 8 ppb/ ° C。从 +85 ° C 到 125 ° C 的总频率变化仅为 50 ppb。
我们在测试 OCXO 器件时看到类似的行为，如下图所示。这里我们比较了四种工业级 OCXO 器件在 +85 ° C 至 +125 ° C 范围内的性能。基于石英的器件在温度超过额定温度范围后稳定性开始下降，而基于 MEMS 的SiT5711 Emerald Platform™ OCXO 保持稳定性。
下面我们显示了相同的四种工业级 OCXO 器件在 +85 ° C 至 +125 ° C 范围内的Δ F/ Δ T。石英器件的频率斜率下降高达 30 ppb/ ° C。相比之下，MEMS-基于 SiT5711 OCXO 的额定稳定性高达 +105 ° C，斜率小于 0.5 ppb/ ° C。
系统影响
TCXO 和 OCXO 用于需要高稳定性频率参考的应用，例如蜂窝基站。由于冷却系统可能出现故障，因此拥有一种能够承受高温并在此类事件期间保持系统功能的定时解决方案非常重要。除了持久的故障条件外，OCXO 和 TCXO 的扩展温度运行可以使系统更加稳健和可靠，或者根本不需要冷却风扇。
随着 5G 基础设施部署在更密集且控制较少的位置，对高温和其他恶劣条件的适应能力在下一代通信系统中变得越来越重要。凭借在高温下“保持凉爽”的振荡器，SiTime 的计时技术为安装在恶劣环境中的设备提供了所需的稳健性。
下载应用说明AN10063 TCXO 和 OCXO 稳定性下降，了解更多详细信息，包括上面每个图的放大视图、商业温度级 TCXO 的附加图以及包含设备间变化数据的更广泛的样本集。
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感谢 SiTime 软件工程师 Anton Prygrodskyi 对本文的贡献。
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* TCXO 是一种具有温度补偿功能的振荡器，用于补偿谐振器的频率与温度特性。这种补偿使 TCXO 能够比非补偿振荡器实现更好的频率稳定性。 TCXO 的频率稳定性范围为 ±0.05 ppm 至 ±5 ppm。这些器件用于需要精确定时参考的应用，例如高性能电信和网络设备。
** OCXO 提供温度补偿和恒温功能，以便在环境温度变化时保持振荡器几乎恒定的温度。这些设备将谐振器以及温度传感和补偿电路封装在加热外壳内。这种温度补偿和恒温使 OCXO 能够实现非常好的频率稳定性，范围为 0.05 ppb 至 200 ppb。