2B-3E恒溫晶振對(duì)TD-SCDMA時(shí)鐘性能影響分析
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TD-SCDMA系統(tǒng)時(shí)鐘指標(biāo)
TD-SCDMA基站的時(shí)間同步需求描述見(jiàn)技術(shù)規(guī)范3GPP TR 25.836,要求提供NodeB的物理層(碼、幀、時(shí)隙)同步,保證所有NodeB同時(shí)發(fā)送同時(shí)接收,相位精度為<1.5μs;如果時(shí)間同步超過(guò)3μS將出現(xiàn)小區(qū)同步失敗,導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。
影響時(shí)鐘保持指標(biāo)關(guān)鍵器件——晶振的重要指標(biāo)
保持模式下的漂移= 晶振的日老化+晶振日波動(dòng)+晶振溫度漂移+電源特性漂移
其中晶振日波動(dòng)漂移是由于環(huán)境溫度在24小時(shí)存在大約±2度的變化導(dǎo)致晶振溫度補(bǔ)償超前或滯后帶來(lái)的頻率變化,主要取決于晶振的溫度特性。
另外晶振供電電源如果采取波動(dòng)較小的LDO供電,且電源特性漂移相比日老化及溫度漂移要小很多,可以忽略。
所以保持模式下漂移的主要影響因素 = 晶振的日老化+ 晶振溫度漂移
兩種晶振指標(biāo)在時(shí)鐘板上的保持指標(biāo)
第一種2B晶振: 溫度穩(wěn)定度3E-9(-30~70℃) 年老化3E-8日老化3E-10
第二種3E晶振: 溫度穩(wěn)定度5E-8(-30~70℃) 年老化1E-7日老化1E-9
不做算法優(yōu)化
一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下,24小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為±2度, 5小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為1度。
對(duì)于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
5小時(shí)老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.63)=4.5H
即:使用2B晶振在不做算法優(yōu)化下,時(shí)鐘只能保持4.5個(gè)小時(shí)漂移在1.5μS以內(nèi)。
對(duì)于3E晶振
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時(shí)老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+2.1)=0.6H
即:使用3E晶振在不做算法優(yōu)化下,時(shí)鐘只能保持0.6個(gè)小時(shí)漂移在1.5μS以內(nèi)。
做算法優(yōu)化
算法優(yōu)化分為溫度特性優(yōu)化以及老化率優(yōu)化。
晶振的溫度特性漂移速度以及漂移量取決于晶振所處的環(huán)境溫度點(diǎn)、環(huán)境的溫變速度、設(shè)備機(jī)箱的溫度傳遞速度以及晶體的遲滯特性, 晶振頻率漂移與溫度變化的關(guān)系類似于一個(gè)加速阻尼振蕩,是個(gè)5次函數(shù)關(guān)系,而溫度傳感器對(duì)于溫度變化的響應(yīng)速度是非常快的,如要簡(jiǎn)單依賴溫度傳感器對(duì)晶振的溫度特性做優(yōu)化,會(huì)帶來(lái)溫度補(bǔ)償超前或滯后,導(dǎo)致頻率晃動(dòng)加上,短穩(wěn)、抖動(dòng)指標(biāo)都將惡化,而且優(yōu)化系統(tǒng)很難預(yù)知其他溫度點(diǎn)晶振的漂移值。
在晶振通電穩(wěn)定后,晶體的老化漂移呈現(xiàn)非常有規(guī)律且重復(fù)性非常好的類拋物曲線,采取簡(jiǎn)單的線性補(bǔ)償就可以提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。如要對(duì)晶振老化漂移優(yōu)化,需要得到晶振在上級(jí)時(shí)鐘良好、時(shí)鐘板處于鎖定狀態(tài)下的漂移,通過(guò)讀取鎖定電壓值即可。 需要特別注意的是,這個(gè)鎖定值會(huì)在晶振老化漂移的基礎(chǔ)上疊加晶振溫度特性的影響,如果晶振溫度漂移特性超過(guò)老化漂移時(shí),即便采取平滑手段也很難得到老化真正的漂移特性,或者得到的不夠準(zhǔn)確,也會(huì)帶來(lái)晶振老化優(yōu)化提升不足。
總之,晶振良好的溫度特性不僅可以極大減小晶振受溫度影響的漂移量,也可以實(shí)現(xiàn)晶振老化優(yōu)化2個(gè)數(shù)量級(jí)。
同樣,一般在有空調(diào)的密閉環(huán)境下,24小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為±2度, 5小時(shí)的環(huán)境溫度變化大約為1度。
對(duì)于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
12小時(shí)老化漂移= (3E-10/24)*12/100=0.02E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (0.3+0.015)=13.2H
即:使用2B晶振在做算法優(yōu)化的前提下,時(shí)鐘可以保持13.2個(gè)小時(shí)漂移在1.5μS以內(nèi)。
對(duì)于3E晶振(由于溫度特性過(guò)于差,導(dǎo)致老化優(yōu)化只能大約提升1個(gè)數(shù)量級(jí))
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時(shí)老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10
所以保持指標(biāo)達(dá)到1.5μS的小時(shí)=((1.5*10E10/10E6)/(60*60) ) / (5+0.21)=0.8H
即:使用3E晶振在做算法優(yōu)化的前提下,時(shí)鐘只能保持0.8個(gè)小時(shí)漂移在1.5μS以內(nèi)。
本文小結(jié)
從上述計(jì)算結(jié)果可以看出不論是否采取時(shí)鐘優(yōu)化手段,晶振良好的溫度穩(wěn)定度對(duì)時(shí)鐘保持指標(biāo)其到至關(guān)重要的作用。此外,晶振的溫度特性取決于晶振的控溫/補(bǔ)償精度,所占晶振的成本大約10%,基本上取決于晶振廠家的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。