频率稳定性在振荡器的影响

频率稳定性在振荡器的影响
使用温度补偿振荡器 （TCXO） 和恒温控制振荡器 （OCXO） 等有源晶振，因为它们具有出色的频率稳定性。它们在特定频率下产生非常精确和一致的电信号，为数字电子系统提供心跳。在许多应用中，保持频率稳定性极为重要，从通信、企业和数据中心到汽车、工业和国防。

TCXO温补晶振采用温度传感器和温度补偿电路，将温度波动的影响降低到 ±100 甚至 ±5 ppb。OCXO 采用由内部加热元件、温度传感器和控制电路组成的烘箱控制回路，本质上是一个微型烘箱，可保持高于工作环境温度的一致内部温度。这进一步最大限度地减少了环境温度变化的影响，从而在 OCXO 中实现 ±1 ppb 的稳定性。

在如此低的 ppb 水平下，应用中的其他噪声源和环境条件可能会变得很重要。例如，加速度、振动、电源噪声、负载变化、气流、热梯度和高温对系统整体稳定性的影响比 oscillator 的频率随温度规格预测的要大得多。每个影响系统因子的单独稳定性规格使设计人员能够添加他们对给定系统的贡献，以更好地预测整体稳定性。

除了 TCXO 或 OCXO 等不同 oscillator 类别外，还有不同的 timing 技术，例如石英振荡器或 MEMS振荡器，它们会产生不同的稳定性相关结果，尤其是在测量不同环境条件下性能的参数中。

应用程序对频率稳定性的影响
尽管石英振荡器和 MEMS 振荡器在频率温度稳定性方面可能具有相同的主要规格，但仅根据该值选择器件可能会导致整体系统频率稳定性的结果截然不同。应用程序应规定哪个稳定性参数最关键。

例如，将室外 5G 无线电暴露在突如其来的阵雨中会迅速使其内部环境温度下降 10°C。 或者，数据中心流量的大量突发会迅速使 SoC 或处理器升温 10°C。 振荡器可以通过与环境的耦合来感知此类变化，从而通过 dF/dT 降低其整体稳定性。对于图 1 中的器件，石英 TCXO 的降解率在 ±200 至 ±500 ppb 之间，而 MEMS 器件的降解率仅为 ±35 ppb。

此外，老化将导致石英器件的频率偏移明显大于 MEMS 器件的频率。对于每种老化规格（每天、每年和 20 年），石英器件的频移可能比预测的要严重得多。这是因为在数据表中通常引用了室温下的石英振荡器老化，而 SITIME晶振的 MEMS Super-TCXO 为 85°C，SiTime MEMS OCXO 为 50°C。与MEMS谐振器相比，过热会加剧石英谐振器的老化。

或者，将安装在室外杆上的无线电承受 1 g 的风致振动冲击，可以使内部石英器件的频率改变 ±0.5 至 ±5 ppb，而 MEMS 器件的频率为 ±0.004 至 ±0.1 ppb。此外，由于石英是一种压电器件，机械振动会显著降低其相位噪声性能，而 MEMS 振荡器是基于静电的，因此不会降解。

稳定性不仅仅是一个数字。为了全面考虑可能影响SPXO振荡器稳定性进而影响整体系统性能的因素，设计人员应该超越频率-温度稳定性的标杆规格。要了解稳定性的真实情况，需要深入研究其他相关的系统属性。这些因素包括热滞后、频率随温度变化的斜率、初始容差、老化、电压和负载灵敏度以及加速度。只有这样，才能准确评估设备在所有条件下的性能。