關(guān)于作者--SiTime樣品中心

為了加速SiTime MEMS硅晶振產(chǎn)品的應用普及，讓中國電子工程師能快速體驗MEMS硅晶振的高穩(wěn)定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動等更多優(yōu)勢，SiTime公司聯(lián)合本土半導體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費樣品申請，小批量試產(chǎn)、現(xiàn)貨應急、特價申請、技術(shù)支持等便捷服務，更多信息請訪問www.sitimechina.com，客戶服務熱線400-888-2483。

如果您參與了蜂窩技術(shù)的設(shè)計，那么您就會知道復雜性是什么樣子。 協(xié)議和標準像許多搖搖欲墜的構(gòu)建基塊一樣堆疊在一起。 所有這些一起工作證明了精心的規(guī)格，精心的設(shè)計和謹慎的時機。

如今，5G風靡一時，而這次并沒有什么不同-實際上，它將變得更加艱難。 與前幾代產(chǎn)品相比，5G有望成為更多應用的首選解決方案。 因此人們的期望很高，這意味著必須再次仔細規(guī)劃和實施規(guī)格，設(shè)計和時序，才能實現(xiàn)5G的承諾。

5G的關(guān)鍵在于計時

5G技術(shù)將給時序解決方案帶來的壓力遠超過過去，這有很多原因。

頻率越高，周期越短–必須在更少的時間內(nèi)完成更多的工作。

將更謹慎地使用帶寬；渠道會更緊密。這意味著可以容忍更少的時序偏差。

頻率越高，范圍越短，轉(zhuǎn)彎能力越差。這意味著更多的無線電，每個無線電覆蓋較小的區(qū)域。預計每個當前的4G無線電約為10或20個5G無線電。

這就是問題所在：無線電對無線電延遲預算為130 ns。這分解為兩個無線電之間的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點10 ns的預算。從角度來看，GNSS計時精度為15 ns（占時間的99.7％）。這意味著更少的通道間干擾，有助于更好地使用帶寬。您可能會認為這不是什么大問題-至少在正常條件下無法實現(xiàn)-但請嘗試在所有條件下都保持這一時機.

保持所有這些滴答聲順利進行所需的時序?qū)⒔o時序源帶來難以置信的負擔。 對于本地時序，將需要MEMS時鐘的準確性，穩(wěn)定性和可靠性。

網(wǎng)絡(luò)時序的來源

5G系統(tǒng)中將有三個計時源。網(wǎng)絡(luò)的主要來源是網(wǎng)絡(luò)本身，它使用IEEE 1588標準來通過以太網(wǎng)接收定時以及同步定時的SyncE頻率。但是，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，那么您將無法把握時機來自網(wǎng)絡(luò)。備份是GNSS，它提供每秒脈沖。不夠精確，但很有用。但是，如果您的設(shè)備在GNSS信號不強的地方怎么辦？您將需要花些時間直到網(wǎng)絡(luò)恢復正常，否則設(shè)備也將出現(xiàn)故障。

圖1.網(wǎng)絡(luò)同步器選擇了三個定時源之一，切換期間沒有相位跳變。

因此，保持時鐘的作用非常重要：保持本地時鐘，該時鐘一直持續(xù)到時序的主要返回源為止。就像飛輪一樣，即使沒有主動驅(qū)動，它也保持恒定速度旋轉(zhuǎn)。這要求一個非常穩(wěn)定的時鐘源，而石英振蕩器則不會出現(xiàn)“活動性下降”和突然的頻率跳躍。

保持時鐘必須持續(xù)多長時間取決于網(wǎng)絡(luò)運營商；這沒有標準。在邊緣設(shè)備附近，保持時鐘應在2或4個小時內(nèi)漂移不超過1μs。同時，離后端越近，時鐘不應漂移得更多在8或12或24小時內(nèi)超過1μs。具體持續(xù)時間由網(wǎng)絡(luò)運營商選擇。例如，您可能會發(fā)現(xiàn)在印度，網(wǎng)絡(luò)運營商需要更嚴格的規(guī)范-特別是因為基礎(chǔ)架構(gòu)的其他部分不夠強大。

當然，您不能只是簡單地在這些來源之間進行選擇。 因為它們彼此完全獨立，所以它們沒有相位對齊。 如果您只是簡單地從一個切換到另一個，則會出現(xiàn)相位跳變，這可能會導致明顯的下游問題。 因此，網(wǎng)絡(luò)同步器負責執(zhí)行“隱藏”切換-選擇輸出時鐘信號相位無中斷的信號源。

是什么使時序變得艱難？

采取已經(jīng)嚴格的4G時序，使其更緊密，然后將設(shè)備放在以前從未有過的嚴酷位置。 簡而言之，就是5G，這對任何本地時鐘源都提出了許多挑戰(zhàn)。

振動

第一個問題是振動。 在更多地方（如路旁的電話桿上）安裝更多無線電，您將在惡劣的環(huán)境中擁有更多設(shè)備。 想象一下，一輛重型卡車駛過并搖晃附近的一切。

定時源必須不受這種振動的影響。 石英振蕩器很容易嘎嘎作響，而且只要振動持續(xù)下去，它們就有可能超出規(guī)格范圍。 對于附近的長途貨運火車來說，這可能是幾分鐘，或者在大風天，甚至可能更長。 相比之下，MEMS振蕩器不會因振動而超出規(guī)格。

圖2.石英TCXO對熱，氣流和快速溫度變化敏感，表現(xiàn)出明顯的頻率變化，而MEMS TCXO在這些條件下非常穩(wěn)定。

熱量

5G設(shè)備將放置在任何可能的環(huán)境中。 這意味著某些設(shè)備會變得過熱。 其他將在非常寒冷的條件下運行。 例如，明尼阿波利斯的相同設(shè)備在夏季和冬季可能必須應對極端溫度。 而且，由于風扇容易出現(xiàn)故障，因此設(shè)計人員正試圖將其排除在外，這意味著5G設(shè)備將不會內(nèi)置散熱裝置。

在所有溫度下保持定時準確都是非常困難的。 但是保持網(wǎng)絡(luò)連接至關(guān)重要。 這意味著即使在極端溫度條件下，網(wǎng)絡(luò)也必須繼續(xù)運行。 高性能MEMS振蕩器可以在高達125°C的溫度下清潔工作，并且具有很高的穩(wěn)定性。

快速溫度變化

好像還不足以在烈日和冰冷的條件下運行，您可以使溫度急劇變化的條件變得更加困難。 舉例來說，如果您去過西南地區(qū)，那里的鋒面碰撞和流動的噴射流將冷熱空氣聚集在一起，則環(huán)境溫度可能在幾分鐘內(nèi)變化20°C。 這會給時鐘源帶來進一步的壓力，因為隨著溫度的升高或降低，時鐘源會暴露在尖銳的溫度梯度下。

石英很難應付迅速的溫度變化。 頻率可能會跳升數(shù)百ppb（十億分之一），超出規(guī)格范圍，然后花費幾分鐘來恢復所需的頻率。 相比之下，MEMS計時設(shè)備沒有問題。

5G時序需要MEMS振蕩器

借助5G設(shè)計，時間將比以往任何時候都重要。如果沒有緊密而精確的時鐘源，那么5G的承諾將只能保持如此大肆宣傳。 MEMS振蕩器的炒作變成了現(xiàn)實。這樣，網(wǎng)絡(luò)運營商才能確保自己的網(wǎng)絡(luò)不會因計時功能而癱瘓。

SiTime公司的MEMS振蕩器可以在5G設(shè)備所面臨的各種條件下不受干擾地工作。與石英相比，MEMS振蕩器：

額定溫度高達125°C

具有十倍于石英的抗振性

沒有微相位跳動，減少了掉話次數(shù)

具有100倍于石英的可靠性，最大程度地減少了卡車滾動（例如，SiTime在超過20億個發(fā)貨單元中出現(xiàn)了零現(xiàn)場故障）。

MEMS振蕩器可以以五分之一的能量消耗來完成所有這些工作，這一事實意味著，與以往不同的是，這實際上并沒有取舍。 MEMS有望成為計劃在短短幾年內(nèi)投入使用的許多5G設(shè)計的時鐘源。

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