Q-Tech新聞稿-MEMS與晶體振蕩器QTCT5702C1B-24.576MHz

介紹 

精確的頻率控制和定時對所有現(xiàn)代電子技術都至關重要。幾乎每一個你能想象到的電子設備都依賴于一個精確的時鐘；沒有精密的振蕩器時鐘，所有的電子通信都將停止。 本文比較了最新精密時鐘技術在不同應用中的優(yōu)勢。

精密時鐘的演變

石英晶體振蕩器于20世紀20年代問世，長期以來一直是電子計時設備中的主力軍。一種新型振蕩器是微機電系統(tǒng)（MEMS）諧振器時鐘，自20世紀60年代以來一直在開發(fā)中，自2005年以來可批量生產(chǎn)。

如今，MEMS振蕩器在許多高容量、低成本的應用中已經(jīng)在一定程度上取代了石英晶體振蕩器。然而，與技術世界中的許多事情一樣，根據(jù)設備使用的應用程序，也需要考慮權(quán)衡和例外情況。

權(quán)衡:MEMS與晶體振蕩器

為了更好地理解它們的區(qū)別，圖1和圖2顯示了MEMS振蕩器和晶體振蕩器電路的框圖。MEMS振蕩器更為復雜。除了微機械硅諧振器外，其數(shù)字電路還包括用于確定和控制頻率的PLL。

相比之下，晶體振蕩器非常簡單，在很大程度上依賴于非常高的“Q”石英晶體諧振器作為圖3所示的唯一頻率決定元件。

MEMS和晶體振蕩器都可以通過使用溫度補償來實現(xiàn)小于1PPM的穩(wěn)定性或使用烘箱控制來實現(xiàn)PPB水平的穩(wěn)定性而變得更精確。在通常的說法中，利用這些補償方法的晶體振蕩器分別被稱為OCXO和TCXO晶振。雖然“XO”專門用于晶體振蕩器，但這些術語通常用于指代類似補償?shù)腗EMS。

在溫度下的絕對頻率穩(wěn)定性方面，制造商正在實現(xiàn)MEMS性能的巨大改進。例如，SiTime正在通過數(shù)字補償技術制造幾乎任意精確的MEMS。
下面的討論觸及了石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器之間性能權(quán)衡的核心。

相位噪聲和抖動

MEMS可以承受更高的沖擊水平，并且比石英鐘更不容易受到振動靈敏度的影響。由于石英諧振器具有相對較大的質(zhì)量，它們也可能在非常高的沖擊水平下發(fā)生斷裂。
圖4顯示了MEMS和石英晶體振蕩器的相位噪聲比較。雖然MEMS可以在穩(wěn)定性方面變得非常精確，并且在改善相位噪聲和抖動性能的同時，它們在靜態(tài)相位噪聲、抖動和其他一些短期穩(wěn)定性參數(shù)方面永遠不能像石英那樣好。石英晶體振蕩器固有的一個好處是它們的“Q”電平高得多，這導致較低的相位噪聲和較低的抖動；因此，在這一點很重要的應用中，石英仍然占據(jù)主導地位。

此外，MEMS的相位噪聲和抖動性能的改善總是以更大的功耗為代價。石英振蕩器比MEMS器件更高效、更可靠，MEMS器件的復雜電路消耗更多的功率，并可能導致較慢的啟動時間。此外，石英時鐘可以承受更高劑量的輻射，因為MEMS時鐘包含不耐輻射的鎖相環(huán)（PLL）。

圖4。石英晶體振蕩器與兩種等效MEMS振蕩器的相位噪聲比較。

溫度穩(wěn)定性
圖5和圖6說明了MEMS和石英振蕩器之間最重要的權(quán)衡背后的原因。圖5顯示了與可比MEMS石英晶振器件相比，典型石英振蕩器的頻率與溫度的性能。該圖給人的第一印象可能是MEMS振蕩器實際上表現(xiàn)出更好的頻率與溫度的性能。
然而，經(jīng)過仔細檢查，圖6顯示，隨著時間的推移，每當分頻比切換以補償溫度變化時，MEMS振蕩器都會出現(xiàn)頻率跳躍。高“Q”石英晶體提供了固有的穩(wěn)定和平滑的曲線。

圖5。石英晶體振蕩器與MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定性比較。

圖6。與晶體不同，MEMS頻率穩(wěn)定性表現(xiàn)出頻率跳變。

MEMS諧振器可以數(shù)字校正到幾乎任何級別的穩(wěn)定性，但代價是增加功耗。在每個短期周期中，它總是會有許多微小的頻率跳躍，必須通過數(shù)字校正回到所需的穩(wěn)定性水平。因此，曲線并不平滑；由于數(shù)字校正引起的抖動，它具有大量的小頻率跳躍。如果使用更多的功率，抖動可以減少，但永遠不會消除。這就是導致MEMS時鐘具有比石英晶體振蕩器更差的相位噪聲和抖動的原因。

制造和成本
與晶體振蕩器相比，MEMS時鐘在成本、產(chǎn)量和交付周期方面具有幾個優(yōu)勢。因為石英晶體振蕩器本質(zhì)上是“定制的”，MEMS時鐘通常生產(chǎn)起來更便宜、更快。此外，使用半導體制造方法以非常大的體積制造MEMS。
因此，不需要石英的良好相位噪聲和低抖動優(yōu)點、可以容忍更高的功耗并且不會暴露于任何輻射的應用，將經(jīng)常使用便宜得多的MEMS。

結(jié)論
這兩種技術都在未來占有一席之地?？偟膩碚f，MEMS振蕩器已經(jīng)具有非常好的性能，是一項極具價值的技術進步，將繼續(xù)改進。它們將在大容量、低成本的時鐘應用中占據(jù)主導地位，尤其是在低相位噪聲并不重要的汽車行業(yè)。就石英晶體振蕩器而言，它們將繼續(xù)主導太空應用（在太空應用中不可能使用MEMS），以及射頻和微波應用、雷達和其他噪聲敏感電路。