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这颗小小器件,或将影响5G的进程!

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随和的雏菊 发表于 2018-11-14 11:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
对于5G而言,大家或许已经并不陌生。除了在通信领域之外,5G手机也有望在明年上市。具体而言,作为第五代通信技术,5G所带来最直观的体验便是传输速度更快、容量更大、延迟更低。对于应用生态而言,相当于提供了一条更快的信息高速公路。

目前,5G第一阶段标准已经确定,全球部署速度也在不断提升。然而,5G时代由于载波聚合、多点协同、5G超短帧结构、高精度定位等新技术的应用,要求基站间满足百纳秒级的超高时钟同步精度。并且相同的带宽资源承载越来越多的设备,就需要网络上时钟同步精度越来越高。否则,除了影响用户体验之外,严重的甚至带来安全事故,如自动驾驶领域。

由此可见,想要实现5G网络大规模部署及应用,首先就要解决时钟精度的问题。那么,要产生时钟信号就要使用振荡器,这也是本文重点介绍的电子器件。

时钟信号如何产生?


从原理上来讲,振荡器 ( XO ) 是一种利用谐振器和振荡电路生成时钟信号的有源电子器件。在不同地区,XO 也称为OSC和SPXO。由于时钟信号需要稳定,因此频率稳定性是振荡器性能的关键指标之一,即频率随温度的变化。

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MEMS OCXO及石英OCXO

从上面也可以看出,为了提升时钟信号精度,振荡器性能要求随温度变化小,而这就有了恒温振荡器(OCXO)。这种器件具有很高的稳定性,通常优于 ±50 ppb (十亿分率),甚至经常达到 ±5至 ±20 ppb。OCXO 将谐振器与温感补偿电路封装在加热金属盒中,形成温度相对恒定的烘箱来实现高稳定性。双炉OCXO (烘箱内另有一个烘箱) 的稳定性可以达到 <±1 ppb。目前,OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。

在过去几十年间,以石英材料制备的振荡器已经广泛应用于电子产业。特别是信息技术的快速发展,也使得石英振荡器重获生机,在远程通信、卫星通信 、移动电话系统、全球定位系统 (GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中都可以看到其身影,并且已经成为行业标准。

然而,随着技术发展,特别是5G时代的到来,对于时钟精度要求提出了全新的挑战,传统的石英振荡器已经开始出现问题,比如老化、稳定性差等。在此背景下,一种新的OCXO也孕育而生,这就是基于MEMS的OCXO器件。

时序可能成为最大故障点


对于OCXO器件而言,首先面临的就是使用场景的变化。在5G之前,OCXO部署在良好受控的环境中。现在计算、核心网络和无线电将被整合到一个系统内并有可能被部署到诸如塔楼、屋顶或灯柱等非受控环境中。在这样的环境中,OCXO将承受振动和极端温度带来的考验。

相对而言,石英材料对于环境的要求更高。鉴于传统石英OCXO的敏感性,客户必须采取大量预防措施以确保其可靠运行。

一大难题是OCXO的电路板布局。OCXO在布局时需要远离压力因素,例如热量和气流诱发的热冲击,这样会导致布线复杂性增加和潜在的信号完整性问题。此外,设计人员也尝试使用专门的塑封型OCXO盖进行热隔离,但这会增加制造步骤和生产复杂性。

另外,传统石英OCXO是从头定制的产品。它们在特性的可用性方面存在严重限制,例如频率、输出类型、工作温度和系统内控制。如果出现故障,厂商不得不重新更换OCXO,而这也无疑增加了运营成本。

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也正是基于这些原因,SiTime公司推出了一种全新的解决方案——Emerald Platform™,可以作为5G、物联网和汽车电子产品的脉动信号。Emerald解决5G 基础设施面临的严峻时钟挑战,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%。它具有前所未有的易用性,降低设计复杂性,加快实现营收。与石英OCXO不同,Emerald不需要保护元件,也没有位置或气流限制。最重要的是,它具有最大灵活性:是业界唯一可编程的OCXO。

SiTime首席执行官Rajesh Vashist表示:“时序可能是5G系统中最大的潜在故障点,并可能影响性能、可靠性和营收。5G时序对系统OEM厂商来说是一个复杂的挑战,因此需要一种新的方法,那就是超越目前使用的传统的组件级方法。为了解决这一大挑战,SiTime率先采用系统方法Emerald,帮助我们的客户实现最高水平的性能和能力。通过将SiTime革命性的MEMS与可编程模拟、创新型封装和高性能算法相结合,我们创造了一种全新的解决方案,与目前提供的解决方案相比,其性能提升高达20倍。”
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