8大基础论述石英晶体与MEMS振荡器的实际应用及性能
　　十几年来频率元件行业里一直存在着一种争论,就是石英晶体和MEMS振荡器哪种应用更广泛?和哪种的性能和性价比更高?相关的业界学术论文和技术资料多不胜数,但始终没有个结果,目前市场上发展方向仍然是以传统的石英水晶为主,石英晶体和石英晶体振荡器的受众群体更大,市场占有比率也是非常高的.但也并不能说明硅晶体振荡器没有太大用处,从参数,性能,货源,作用和应用范围来看,MEMS可编程晶振也并不逊于普通的石英.
　　当讨论振荡器时,会出现相同的问题.在关键应用,MEMS(微机电系统)或石英振荡器中,性能的选择是什么?自2005年以来,基于MEMS的振荡器已投放市场.在过去的15多年中,少数公司开发了基于MEMS的振荡器.如今,只剩下少数几个了,领先的基于MEMS的振荡器制造商约占整个时序市场的1％.两家公司的许多频率控制制造商都拥有自有品牌,但ECS除外,他们认为这种做法没有任何价值.
　　为电子设备或通信设备选择振荡器时,您需要考虑一些时序注意事项:系统性能,系统时钟,信号质量和参考信号源.这些是决定产品性能水平的关键参数.
　　您可能已经看过MEMS制造商的另一段视频,将MEMS振荡器与独立的石英晶体进行了比较.事实证明,无论是石英晶振,SAW声表面滤波器,陶瓷晶振还是MEMS可编程振荡器,任何振荡器都将始终胜过任何独立的谐振器.因此,将振荡器与晶体进行比较并不是对振荡器性能的真实测试.在这种并排比较中,我们将研究并直接比较基于石英的振荡器和MEMS振荡器.
　　1) 石英振荡器.
　　2) 基于MEMS的振荡器.
结构与特点:
　　晶体振荡器使用石英晶体基准和简单的振荡器电路,MEMS振荡器使用硅谐振器作为振荡源,并需要PLL电路来校正频率以达到制造公差和温度系数.正如这些基本结构所示,晶体振荡器是简单构建的高质量时钟.相反,MEMS振荡器具有复杂的结构,该结构由MEMS谐振器,分数nPLL和温度补偿网络组成.他们还需要进行制造校准才能正确运行.

这些振荡器的基本结构如图1所示.

　　ECS IncInternational测试和测量了基于石英的有源晶振和基于MEMS的振荡器,并将它们与六个参数进行了比较,这六个参数对于通信,网络,工业和消费电子设备的设计至关重要.ECSInc还提供了已编译数据的摘要:
　　1.功耗:消耗多少电流?
　　2.振荡器起振:通电后振荡器起振的速度有多快.
　　3.抖动和相位噪声:噪声性能是什么(通信设备中的关键因素)?
　　4.频率与温度特性:频率相对于温度变化的稳定性如何?
　　5.频率稳定性:在25℃下测量时,频率有多稳定?
　　6.振动灵敏度:在不利条件下的性能
　　7.可靠性:平均故障间隔时间.也称为(MTBF)
　　8.摘要:总体绩效评估.
1.耗电量:
　　基于石英的振荡器具有低得多的功耗,因为它们具有基波或谐波振荡以及简单的电路结构的优势.相比之下,基于MEMS的振荡器会消耗更多的功率,因为它们具有更多的电路.PLL和LCVCO会增加总功耗.结果,MEMS可编程晶体振荡器的功耗为6.09mA,而标准石英振荡器的功耗约为3.16mA,这是MEMS所需的电流的两倍,以达到与石英振荡器相当的抖动和相位噪声水平.

图2:40MHzMEMS和石英振荡器的功耗测量.

2.振荡器起振特性
　　比较振荡器上电时的稳定性,石英振荡器在上电后几乎达到1ppm的精度.尽管MEMS振荡器难以达到2ppm的精度.启动后,石英振荡器是稳定的,但是正如您所看到的,由于PLL和LVCO试图稳定,因此MEMS振荡器呈现出震颤.如下图3所示.
　　今天,快速启动比以往任何时候都更为重要.无论是在消费产品,自动化还是军事应用中,当今的电子设备都需要关闭电源然后再打开,以延长电池寿命或使系统联机.时钟在需要时启动并稳定运行.使用具有更快启动和稳定度的振荡器,例如ECSInc.的石英振荡器,可以缩短唤醒周期并延长电池寿命.

图3:振荡器起振特性40MHz

3.抖动和相位噪声
　　A)抖动
　　我们选择价格可比的振荡器.一种带有基于MEMS的谐振器,另一种带有基于石英的谐振器.当测量MEMS振荡器在12kHz至20MHz范围内的抖动时,得到的抖动为1.5pSrms.在12kHz至20MHz的SONET带宽上测试基于石英的晶体振荡器时,我们实现了0.18pSrms的均方根抖动.这几乎是MEMS振荡器的八倍.选择ECS零件进行比较是因为它是许多应用中使用的“标准振荡器”,并已批量生产.请参见下面的图4.
　　B)相位噪声
　　实验室测量还表明,SMD有源晶振的相位噪声要比MEMS振荡器好得多.MEMS振荡器具有较高的相位噪声以实现低失调,因为与石英相比,硅谐振器的”Q”或品质因数较差.在10Hz时,石英振荡器的相位噪声比MEMS振荡器好36dB.低失调的相位噪声对于无线通信至关重要,并可能导致光通信中的某些错误.MEMS振荡器在高失调(12kHz至20MHz)时也具有较高的相位噪声,因为它们在PLL电路中使用了低QLC振荡器.

图4:石英与MEMS的相位噪声性能

　　MEMS振荡器具有由小数n分频器引起的杂散.这些杂散会发生在带内并引起确定性抖动(DJ),从而降低系统误码性能.对于所有类型的电路:有线,光学和无线电路,抖动引起的DJ必须被视为抖动预算的一部分.使用基本晶体的石英振荡器没有这种杂散.

图5:比较振荡器的测得抖动和相位噪声.

4.频率稳定度
　　每个振荡器的频率稳定性的测量结果如图6所示.这些结果是在3.3V和25℃的条件下测量50秒的时间.MEMS的频率跃变约为±600ppb,远远超过大多数无线标准.石英振荡器几乎没有运动,而且稳定得多.

图6:石英振荡器和MEMS振荡器稳定性图

5.频率温度特性
　　比较石英晶振和MEMS的频率与温度稳定性时.您会看到,基于石英的振荡器遵循AT晶体的连续三次曲线,并且在-40℃~+85℃范围内达到±25ppm,对于大多数应用来说已经足够了.查看MEMS图,它似乎具有更好的频率与温度特性,但如果仔细观察,您会发现该图显示了在调整PLL分频比以补偿温度变化时引起的频率跳变.这会引起明显的跳频,以补偿MEMS谐振器的明显频率漂移(30ppm/℃或3750ppm-40℃~+85℃)
　　石英在整个温度范围内比MEMS稳定得多,并具有很高的”Q”性能.石英振荡器无需采用温度补偿即可在所需温度范围内将稳定性维持在低至±10ppm.如果需要更好的稳定性,则可以向石英振荡器添加温度补偿,并在整个温度范围内获得低至0.5ppm的稳定性.

图7:频率与温度40MHz

　　MEMS技术还声称比石英技术有其他改进,但是当您仔细观察这些领域时,您会发现您付出的远远超过了获得的回报.在这个世界上,没有什么是免费的.
6.振动灵敏度
　　MEMS要求提高振动灵敏度.如果我们查看数据,这将很快被揭穿.规定的典型测量范围是从小于一个电平到2kHz.高于2kHz时,振动密度会大大降低.我们测量的相位抖动积分范围为12kHz至20MHz.该范围明显高于任何客户指定的最大振动水平.通过改进石英的几何形状,更高频率的毛坯和更好的制造工艺,石英制造商已大大提高了与MEMS相比的振动灵敏度.
　　振动敏感度的度量单位是每十亿分之一振动的十亿分之一(ppb/g)
　　A)MEMS振动敏感度的范围是0.01ppb/g~1ppb/g.
　　B)石英振动灵敏度范围为0.1ppb/g~1ppb/g
7.可靠性(MTBF)
　　MEMS的平均故障间隔时间(MTBF)为130,000年,而石英水晶振子的平均故障间隔时间为30,000年.从表面上看,4:1的改善比率似乎是一个重要的话题,直到您认为大多数产品的设计生命周期都少于五年.通常,长寿命设计的生命周期为10到15年,很少的一组需要长达20年.如果比较在比较MEMS和石英时所损失的抖动,相位噪声和温度性能折衷,则今天您将放弃大量的性能,因此您的产品可能会使用130,000年.供参考:人类已经存在了20万年.文明仅6000年.我认为我们都可以同意,30,000年就足够了.
8.总结
　　指标1~5的评估结果摘要如下所示.

　　以上所有论述和技术资料都摘自美国ECS晶振公司发表的文章,结合了近10年的一些数据和实际情况,该论文中提到的8大重要点和知识点,都是用户和工程们比较感兴趣和需要知道的一些话题,文章进行了一一剖析和讲解,让广大新老客户更加了解晶体与硅晶之间的区别和实际作用.
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