2B-3E恒溫晶振對TD-SCDMA時鐘性能影響分析

關鍵字： 2B-3E恒溫晶振  TD-SCDMA時鐘  時鐘同步 

引言：對時鐘同步的保持模式如何達到一個更高的性價比是通信設備廠商遇到的一個普遍難題，為了能更清楚地解釋這些問題，筆者撰文分析了各種不同等級的晶振產(chǎn)品對時鐘保持模式的影響。

一、TD-SCDMA系統(tǒng)時鐘指標

TD-SCDMA 基站的時間同步需求描述見技術規(guī)范3GPP TR 25.836，要求提供NodeB的物理層（碼、幀、時隙）同步，保證所有NodeB同時發(fā)送同時接收，相位精度為<1.5us；如果時間同步超過3uS將出現(xiàn)小區(qū)同步失敗，導致業(yè)務中斷。

二、影響時鐘保持指標關鍵器件——晶振的重要指標

保持模式下的漂移= 晶振的日老化+晶振日波動+晶振溫度漂移+電源特性漂移

其中晶振日波動漂移是由于環(huán)境溫度在24小時存在大約+/- 2度的變化導致晶振溫度補償超前或滯后帶來的頻率變化，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

三、兩種晶振指標在時鐘板上的保持指標

第一種2B晶振： 溫度穩(wěn)定度3E-9(-30~70度) 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度) 年老化1E-7 日老化1E-9

不做算法優(yōu)化

一般在有空調的密閉環(huán)境下，24小時的環(huán)境溫度變化大約為+/- 2度， 5小時的環(huán)境溫度變化大約為1度。

對于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
5小時老化漂移= (3E-10/24)*5=0.63E-10
所以保持指標達到1.5uS的小時=((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，時鐘只能保持4.5個小時漂移在1.5uS以內(nèi)。

對于3E晶振
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時老化漂移= (1E-9/24)*5=2.1E-10
所以保持指標達到1.5uS的小時=((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，時鐘只能保持0.6個小時漂移在1.5uS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、環(huán)境的溫變速度、設備機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系類似于一個加速阻尼振蕩，是個5次函數(shù)關系，而溫度傳感器對于溫度變化的響應速度是非常快的，如要簡單依賴溫度傳感器對晶振的溫度特性做優(yōu)化，會帶來溫度補償超前或滯后，導致頻率晃動加上，短穩(wěn)、抖動指標都將惡化，而且優(yōu)化系統(tǒng)很難預知其他溫度點晶振的漂移值。

在晶振通電穩(wěn)定后，晶體的老化漂移呈現(xiàn)非常有規(guī)律且重復性非常好的類拋物曲線，采取簡單的線性補償就可以提升1~2個數(shù)量級。如要對晶振老化漂移優(yōu)化，需要得到晶振在上級時鐘良好、時鐘板處于鎖定狀態(tài)下的漂移，通過讀取鎖定電壓值即可。 需要特別注意的是，這個鎖定值會在晶振老化漂移的基礎上疊加晶振溫度特性的影響，如果晶振溫度漂移特性超過老化漂移時，即便采取平滑手段也很難得到老化真正的漂移特性，或者得到的不夠準確，也會帶來晶振老化優(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，也可以實現(xiàn)晶振老化優(yōu)化2個數(shù)量級。

同樣，一般在有空調的密閉環(huán)境下，24小時的環(huán)境溫度變化大約為+/- 2度， 5小時的環(huán)境溫度變化大約為1度。

對于2B晶振
溫度漂移=(3E-9/(30+70))*1=0.3E-10
12小時老化漂移= (3E-10/24)*12/100=0.02E-10
所以保持指標達到1.5uS的小時=((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，時鐘可以保持13.2個小時漂移在1.5uS以內(nèi)。

對于3E晶振(由于溫度特性過于差，導致老化優(yōu)化只能大約提升1個數(shù)量級)
溫度漂移=(5E-8/(30+70))*1=5E-10
5小時老化漂移= (1E-9/24)*5/10=0.21E-10
所以保持指標達到1.5uS的小時=((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，時鐘只能保持0.8個小時漂移在1.5uS以內(nèi)。

四、結論

從上述計算結果可以看出不論是否采取時鐘優(yōu)化手段，晶振良好的溫度穩(wěn)定度對時鐘保持指標其到至關重要的作用。此外，晶振的溫度特性取決于晶振的控溫/補償精度，所占晶振的成本大約10%，基本上取決于晶振廠家的設計水準。

作者：劉朝勝，廣東大普通信技術有限公司總工程師

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