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SiTime振蕩器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密計時中的重要性

返回列表 來源：冠杰電子 瀏覽：- 發(fā)布日期：2024-03-18 16:50:07【大 中 小】

SiTime振蕩器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密計時中的重要性

頻率穩(wěn)定性是振蕩器最基本的性能指標。它代表輸出頻率的偏差，通常用百萬分之一（ppm）或十億分之一（ppb）表示。較小的穩(wěn)定性數(shù)值意味著更好的性能。溫度變化、電源電壓變化、輸出負載變化和頻率老化等多種情況都可能導致頻率變化。在這篇博客中，我們關注老化，即振蕩器頻率在一定時間內(nèi)的變化。
為什么低老化很重要？
在許多應用中，老化是一個重要參數(shù)，必須在系統(tǒng)設計期間加以考慮。在需要非常穩(wěn)定的頻率基準的系統(tǒng)中，這一點尤為重要。這些系統(tǒng)使用TCXOs（溫度補償振蕩器）和OCXOs（恒溫控制振蕩器）等精密石英晶體振蕩器。
例如，精密振蕩器通常用于網(wǎng)絡基礎設施和高精度測量設備中，以提供穩(wěn)定的備用頻率源。在這些應用中，OCXO（在某些情況下還有TCXO）在失去GPS等外部源的情況下充當本地時鐘。保持模式是系統(tǒng)暫時失去與外部參考信號的連接并切換到本地信號源時的工作模式。在這種情況下，本地振蕩器OCXO或TCXO晶振必須在數(shù)小時到數(shù)天內(nèi)保持極其穩(wěn)定的狀態(tài)，這使得老化成為一個關鍵因素。
什么導致振蕩器老化？
老化是由振蕩器內(nèi)部變化引起的。衰老主要有兩個原因。一個原因是質(zhì)量負荷，另一個原因是應力釋放。石英振蕩器老化的根本原因主要是制造工藝、結(jié)構(gòu)設計和器件中各種材料的使用。在石英諧振器的制造過程中，殘余應力條件顯現(xiàn)，例如表面裂紋、加工過程中的拋光磨損以及石英和電極膜之間的結(jié)合力。材料的不同熱膨脹系數(shù)會在界面上產(chǎn)生應力。此外，石英振蕩器中使用的硅膠在受熱時會分解并導致質(zhì)量堆積。

SiTime oscillator aging

SiTime振蕩器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密計時中的重要性

石英振蕩器使用的材料由于結(jié)構(gòu)中的污染和應力消除而容易老化。
相比之下，MEMS諧振器使用穩(wěn)定的硅材料，沒有除氣特性。SiTime晶振硅MEMS諧振器的制造過程不會引入污染物，例如在石英諧振器的劃片或拋光過程中引入的污染物。SiTime的專利附加過程形成超潔凈MEMS諧振器，在超過1000°c的高溫下封裝在晶圓級硅/多晶硅中。內(nèi)部殘余應力由遷移通過晶格的原子釋放。這創(chuàng)造了一個清潔的真空環(huán)境，不會被污染物侵入。最終結(jié)果是諧振器的老化程度極低。

SiTime oscillator aging-1

SiTime振蕩器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密計時中的重要性

SiTime MEMS諧振器的橫截面，該諧振器采用在長期運行下保持清潔和穩(wěn)定的工藝和材料制造。

MEMS和石英老化性能
下圖展示了MEMS和石英振蕩器之間的老化差異。該圖顯示了基于MEMS的超級TCXO（Elite X sit 5501）和基于石英的小型化OCXO（均為3E層振蕩器）的30天老化測量數(shù)據(jù)（歸一化至第一天）。進口晶振石英OCXO和SiT5501在通電時都有正老化現(xiàn)象。然而，隨著時間的推移，大多數(shù)石英OCXO dut的負老化系數(shù)變得大于正老化系數(shù)，呈現(xiàn)逐漸下降的負斜率。
相反，SiT5501很快變得穩(wěn)定，在30天的工作時間內(nèi)，失調(diào)小于20ppb。此外，由于石英加工工藝的限制，石英OCXOs組之間的老化率可變性明顯大于SiT5501，成為潛在故障的另一個因素。通常，老化率規(guī)格將在運行30天后確定。

SiTime oscillator aging-2

SiTime振蕩器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密計時中的重要性

頻率偏差基于MEMS的SiT5501 Elite X超級TCXO(紅色)vs小型化石英OCXO（藍色）

衰老是一個不可避免和不可逆的過程。然而，通過利用硅MEMS石英晶振制造工藝的優(yōu)勢，可以降低頻率老化偏差，這種硅MEMS制造工藝可以生產(chǎn)不會受到損害的封裝硅諧振器。

Device Frequency Stability
(ppm) 		Output Type Supply Voltage(V) Temp. Range(°C) Package Size(mm)
Device Frequency Stability(ppm) Output Type Supply Voltage(V) Temp. Range(°C) Package Size(mm)
SiT5155 12 standard frequencies ±0.5 LVCMOSClipped sinewave 2.52.833.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5156 1 to 60 MHz ±0.5±1±2.5 LVCMOSClipped sinewave 2.52.833.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5157 60 to 220 MHz ±0.5±1±2.5 LVCMOS 2.52.833.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5356 1 to 60 MHz ±0.1±0.2±0.25 LVCMOSClipped sinewave 2.52.833.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5357 60 to 220 MHz ±0.1±0.2±0.25 LVCMOS 2.52.833.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5358 1 to 60 MHz ±0.05 LVCMOSClipped sinewave 2.52.83.03.3 0 to +70-20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5359 60 to 220 MHz ±0.05 (±50 ppb) LVCMOS 2.52.83.03.3 0 to +70-20 to +70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.2 10-pin
SiT5376 1 to 60 MHz ±0.1±0.2±0.25 LVCMOSClipped Sinewave 1.82.52.83.03.3 -20 to 70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.5 10-pin
SiT5377 60 to 220 MHz ±0.1±0.2±0.25 LVCMOS 1.82.52.83.03.3 -20 to 70-40 to +85-40 to +105 5.0 x 3.5 10-pin
SiT5501 1 to 60 MHz ±0.01 (±10 ppb)±0.02 (±20 ppb) LVCMOSClipped sinewave 2.52.83.03.3 -40 to +85-40 to +105 7.0 x 5.0 10-pin
SiT5503 1 to 60 MHz ±0.005 (±5 ppb) LVCMOSClipped sinewave 2.52.83.03.3 -20 to +70-40 to +85-40 to +95 7.0 x 5.0 10-pin