SiTime硅晶振TCXO温度稳定性和频率精度计算

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1 简介

温度补偿振荡器 (TCXO) 用于通常需要 5 ppm 或更高频率稳定性的系统中的频率参考。 通常，这些系统中的频率精度必须保持在考虑到 TCXO 频率漂移的时序预算内。业界通常定义一组频率稳定性参数，以量化环境因素和电路条件对参考振荡器的影响。 本文解释了 SiTime TCXO 数据表中的频率稳定性规范以及如何计算频率精度。

2 温度稳定性和频率精度

SiTime TCXO 数据表包括以下频率稳定性规范：

初始容差 (F_init) 是室温下与标称频率的频率偏差，例如 25±3℃。它是在典型电源电压和输出负载条件下测量的，设备安装在印刷电路板 (PCB) 上。 初始容差的主要组成部分是 SiTime 工厂温度校准后的残余频率误差和 PCB 焊接引起的频移。通过在 PCB 回流组装过程之后使用压控 TCXO (VCTCXO) 和频率校准，可以最大限度地减少初始容差对系统时序预算的影响。

温度稳定性 (F_stab) 是由环境温度变化引起的频率漂移，并指定为整个工作温度范围内峰峰值频率偏差的二分之一。

电源电压稳定性 (F_vdd) 是指由 2.5V 至 3.3V VDD 的 ±10% 或 1.8V VDD 的 ±5% 的电源电压变化引起的频移。

输出负载稳定性 (F_load) 是指由输出引脚上的负载电容差异引起的频移，对于 LVCMOS 输出振荡器高达 15 pF。

总频率精度 (F_total) 为计算所有上述参数的总和。 例如，温度稳定性为 ±2.5 ppm 的 SiT5000 VCTCXO 的整体频率精度为：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load = 1 + 2.5 + 0.05 + 0.1 = 3.65 ppm。

通过使用 VCTCXO 选项降低系统校准的初始容差，可以获得更好的整体频率精度：F_total = F_stab + F_vdd + F_load = 2.5 + 0.05 + 0.1 = 2.65 ppm。

在使用 TXCO 的应用中，温度稳定性通常是频率误差的主要来源。 与室温下的频率偏移不同，使用简单的校准方案无法消除温度漂移。

3 老化和频率精度

即使在恒定的工作条件下，TCXO 频率也会因器件内部的变化而随时间变化。 系统预算中需要用于随时间推移的频移的附加参数。 最常用的参数是第一年老化（First year aging）和 10 年老化（10-year aging）。

First year aging规定了在恒定电源电压和工作温度下连续运行一年后，相对于初始频率的频移限制，通常为 25℃。

10-year aging规定了在恒定运行条件下连续运行 10 年后相对于初始频率的频移限制。 10 年老化规格是从在 9 到 18 个月甚至更长的时间段内对一组具有统计意义的样本进行的频率测量中推断出来的数字。

计算包括 1 年或 10 年老化（F_aging）的整体频率精度：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load + F_aging。

例如，SiT5000 2.5 ppm VCTCXO 的第一年老化为±1.5 ppm。 总频率精度可以计算为：F_total = F_init + F_stab + F_vdd + F_load _ F_aging = 1 + 2.5 + 0.05 + 0.1 + 1.5 = 5.15 ppm。 同一 VCTCXO 的 10 年老化为 ±3.5 ppm，这导致 10 年的整体频率精度为 ±7.15 ppm。

对 TCXO 设备和系统校准使用相同的电压调谐选项可以实现更严格的频率精度预算限制。 例如，在 PCB 组装后去除初始容差并在产品生命周期内定期校正与老化相关的频移将提高精度。