长期以来,晶体振荡器已与模拟振荡器保持电路结合使用,该电路驱动0scillator以特定频率振动.今天,硅MEMS换能器是另一种选择,这些器件在嘈杂的环境中胜过石英晶体.随着通信速度的提高和移动通信的普及,对鸡群来源的需求日益严峻.此外,无论电子设备是复杂还是时钟频率很高,时钟设备必须在嘈杂的环境中继续良好运行.
本文介绍了使用石英振荡器和硅MEMS振荡器进行的对比实验的结果.从这些数据可以确定,MEMS振荡器在真实的环境条件下优于石英振荡器.振荡器制造商为每种产品提供数据表,其中包括频率稳定性,抖动和相位噪声等性能参数.虽然数据表是选择计时设备时的一个很好的指标,但用户应评估这些设备在实际环境条件下的工作方式.
在模拟实际操作环境的条件下进行测试可以提供有关准确组件性能的有价值信息.与理想条件下的振荡器相比,受到环境压力因素(如电磁干扰(EMI),振动,电源或其他系统组件噪声)的振荡器性能下降.在最坏的情况下,环境压力因素会降低设备可靠性或缩短设备寿命.选择定时器件时,在实际和恶劣的噪声条件下考虑振荡器性能非常重要.
硅MEMS的优点
SiTime可编程振荡器与石英谐振器相比具有几个固有的优点,以确保它们在不同环境中工作的能力.SiTime开发了一种MEM SFirstTM工艺,可在位于硅芯片中的微型真空容器[1]中创建并密封传感器.微小质量振动器与其硬质硅晶体结构的组合提高了耐久性,并且对诸如冲击和振动的外部应力的抵抗力变得非常强.是的.此外,构成振荡器的最佳设计模拟电路在电噪声条件下表现良好.
图1中的MEMS振荡器结构示意图显示了由精确调节的硅MEMS振荡器,振荡保持电路,高精度N分频锁相环(PLL)和全差分电路组成的输出.它显示了有助于提高性能和可靠性的重要部件,例如驱动电路.

图1.SiTimeMEMS振荡器架构

大部分晶振厂家都是专门从事振荡器制造的,但不一定是电路设计的专家.他们把使用的模拟电路委托给外部,所以不能说是针对特定的振子进行了优化,反而不得不购买被设计为在各种水晶上工作的芯片.相比之下,sitime拥有模拟设计者的专业团队,该团队设计了与sitime的MEMS振荡器一起使用的所有电路.自2006年以来,该团队在sitime的振荡器产品的性能和耐久性上有了戏剧性的提高,其结果是,在噪声环境条件下,sitime的MEMS振荡器比晶体器件具有更强的耐久性.
运行环境压力因素
操作环境中的几个因素会降低相位噪声和抖动,这会对振荡器性能产生不利影响.本书依次分析了环境条件对SiTime和竞争厂商制造的振荡器性能的影响.
电源噪声
任何系统中的主要噪声源之一是电源.大多数噪声被放置在贴片振荡器电源输入端的无源滤波器和去耦电容器拒绝.但是,无法消除的剩余噪声会增加输出时钟的抖动,并可能对系统中的时序裕度产生不利影响.这种噪声不仅在通电时放大,而且在系统运行期间电路板上的其他设备打开或关闭时也会放大.电源滤波和接地反弹等基板问题也会影响噪声和抖动.
PSRR(电源抑制比)是模拟电路设计中使用的参数,用作指示电路对电源噪声的容差的特定参数.与以dB表示的SNR相关参数PSRR不同,噪声功率条件下的振荡器性能以电源噪声灵敏度(PSNS)表示.PSNS通过振荡器在20kHz至20MHz的指定频率范围内应用峰峰值噪声时表现出的相位抖动进行量化.

图2.电源噪声抑制测试设置的框图

图2所示的以电源及波形发生器为首的测试设置是用于评价晶振的psns性能的测试方法.波形发生器为了测量电源噪声对振荡器抖动的影响,在测量条件的电压和频率上加上系统噪声.图3的曲线表示在50mv峰值to峰值处提供开关电源噪声时的相位抖动状态,对于LVCmos输出用的sitimeMEMS振荡器,比较了各种晶体振荡器的比较结果.
如图表所示,在所有噪声频率下,静态MEMS振荡器的抖动都是最低的.其理由是,sitime的振荡器电路中装入了保护振荡器不受电源引起的抖动影响的降噪电路.

图3.SiTime MEMS和Epson SAW振荡器存在50mV电源噪声时的相位抖动,作为电源开关噪声频率的函数

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