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是各大运营商和设备商争相布局的战场,对物联网、自动驾驶、远程医疗、虚拟现实等领域都有重大的革新作用,是一项革命性的技术。各国都对这个制高点非常重视。但是,在5G的运营布局中,时钟的稳定性就有了很大的挑战。

  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。(相关阅读可以查看YXC扬兴官网《SiT5356时钟产品应对5G决策》)

  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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