SiTime公司利用MEMS技术解决5G时钟稳定性问题

作者： 扬兴晶振 日期：2018-12-10 浏览量：

  5G通信具有更快的数据传输速率，更低的响应延迟和更高的吞吐量，如果商用会极大地推动物联网、自动驾驶、虚拟现实和远程医疗的发展，目前运营商和设备商正在紧锣密鼓地进行部署。但是5G部署中，设备越靠近客户，越容易受到热震荡、振动、高温和高湿的影响，尤其是时钟，如果受损会影响整个系统的运行，可见5G服务需要稳定、可靠的计时。为了保证5G的速度和服务，SiTime公司采用创新设计技术开发了Emerald Platform OCXO。

  SiTime公司主要做什么?何谓Emerald Platform OCXO?SiTime公司是一家MEMS模拟半导体公司，提供基于MEMS的硅时序解决方案。据其营销执行副总裁Piyush Sevalia介绍，“SiTime在MEMS计时市场拥有90%的份额，自2007年到现在已经交付数十亿件产品，拥有100项专利，服务范围涉及200个应用，客户多达10000个。EmeraldPlatform是首个基于MEMS的系列OCXO，可以解决5G基础设施设备的关键时序挑战。借助Emerald平台，运营商能够在恶劣环境下部署5G设备，并可靠地提供任务关键型服务。”

  高精度解决传统石英OCXO的可用性难题

  通过十年的创新，SiTime将时钟的频率稳定性提升5000倍，相位抖动性能提升800倍，阿伦方差性能提升30000倍。从技术参数上来看，Emerald Platform OCXO在气流或热冲击下保持最佳的稳定性，ΔF/ΔT动态稳定性范围是±50ppt/C(ppt=兆分之一)，在有气流情况下阿伦方差(ADEV)可达2e-11;可以在任何条件下保持可靠运行，抗振性比石英OCXO优秀20倍;易用性非常强，不需要护盖即可隔离热冲击和气流，无需外部稳压器、片内电源噪声过滤;高度灵活，1-220MHz的可编程频率，LVCMOS或限幅正弦波输出，后面将通过I2C实现系统内可配置性。

  由于传统石英OCXO的敏感性，客户必须采取大量预防措施确保可行可靠。其中的一个关键挑战是OCXO的基板定位，需要远离干扰源，如热量和气流引起的热震荡。这种情况会加大路由复杂性和潜在的信号完整性问题。设计人员还需要使用特殊的OCXO塑料盖进行隔热，从而增加了工艺步骤和生产复杂性。

  对比Emerald Platform OCXO，Piyush Sevalia强调，“我们的产品不需要热隔离，可以放置在PCB的任何位置，电源通过芯片调节即可，由于信号完整性极好，可以靠近SOC放置，尺寸只有9X7mm，尤其是采用了半导体供应链，始终可用，而且具有超高一致性，不同的批次之间没有差异，从而有助于简化设计、缩短开发时间、提高系统性能。”

  采用可编程架构 方便5G用户进行升级

  笔者见过很多可编程器件，时钟可编程Emerald OCXO是第一个，它采用了可编程模拟架构，可为用户提供1至220 MHz之间任何频率，确保客户能够针对应用选择最佳频率。这种器件还提供两种输出类型，LVCMOS和削峰正弦波，实现最佳基板性能。未来，Emerald OCXO还将扩展温度范围(-40至+95℃、-40至105℃)和I2C串行接口，支持系统内编程。

  可能很多人好奇：时钟可编程的意义是什么呢?Piyush Sevalia分析，“第一，未来5G通信非常复杂，如果客户想临时改变频率，采用普通的定频产品需要更换器件，而使用Emerald OCXO只要编程就可以变为所需的频率;第二，通过I2C在线编程，可以解放工程师对固定频率产品的依赖，工程师可以通过I2C读取内部工作状态，随时进行矫正;第三，针对OXCO的老化问题，当5G设备安装10年以后，需要做矫正，采用固定频率产品需要到现场更换板子，采用Emerald OCXO远程矫正即可，和手机的OTA更新类似，从而节省成本。”

  满足5G每个网络节点的需求

  随着进入5G和边缘计算，移动运营商的无线设备需要更严格的时间同步，因此必须使用OCXO。在5G之前，这种OCXO部署在控制良好的环境中。现在，计算、核心网络和无线拆分成系统，部署在不受控制的环境中，如信号塔、屋顶和灯柱。这种环境下，OCXO将受到振动和极端温度的影响。部署架构的这种变化需要新的思考，评估MEMS和石英定时技术的优势。

  MEMS时钟的弹性确保可靠性能，对于缺少控制，更严苛的环境中部署5G至关重要。Emerald Platform是基于MEMS 的Stratum 3E开发的，可以解决5G基础设施面临的时钟挑战，支持网络切片、ADAS和M2M通信等新服务，并在15亿美元电信和网络时钟市场中确立新的性能基准：抗热震荡能力提高10倍，抗振动能力提高20倍，尺寸减小75%。

  由于MEMS谐振器具有体积小、重量轻、低功耗、高可靠性的优势，加上未来汽车、物联网系统必须在各种严苛条件下可靠运行。因此，SiTime MEMS时钟解决方案的尺寸、可靠性和性能将为5G通信、汽车和物联网市场带来发展潜力。

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