【石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性比較】

下列項目是用于電子設備及通信系統(tǒng)設備的振蕩器應具備的性能。通過這些項目的實際測試，比較石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能。比較時使用愛普生制造的“SG-210S*B”石英晶體振蕩器及兩種全硅MEMS振蕩器。

產品 頻率 相位抖動（偏離頻率：12kHz-20MHz）

“SG-210S*B” 石英晶體振蕩器 25MHz 0.32ps

全硅MEMS振蕩器① 24MHz 15.2ps

全硅MEMS振蕩器② 19.2MHz 0.76ps

電流消耗

3.3V電源電壓、+25℃且負載電容等于10pF的條件下的各振蕩器耗電量實測結果。

石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式，結構簡潔，耗電量受益于此而最少。

與此相對，受復雜電路的影響，全硅MEMS振蕩器①的電流消耗為7.1mA；在“相位噪音與相位抖動”之項中已說明的具有良好的相位噪音特性的全硅MEMS振蕩器②竟然達到了31.5mA。由此，需要在相位噪音的改良與維持低耗電量之間做出權衡，使用振蕩器構建設備系統(tǒng)之際應當十分注意。

各產品的消耗電流測試結果

產品 頻率 電流消耗

“SG-210S*B” 石英晶體振蕩器 25MHz 1.5mA

全硅MEMS振蕩器① 25MHz 7.1mA

全硅MEMS振蕩器② 19.2MHz 31.5mA

起振特性

表示以1毫秒為間隔的0至0.5秒時間段中，在3.3V電源電壓、+25℃的條件下各振蕩器通電后的起振特性。

以頻率偏差在±10×10-6以內的穩(wěn)定所用時間進行比較時可以得出，石英晶體振蕩器的振蕩頻率在1.5毫秒以內實現(xiàn)穩(wěn)定，而全硅MEMS振蕩器①約需90毫秒，相位抖動特性較好的全硅MEMS振蕩器②約需250毫秒。并且，可以觀察到全硅MEMS振蕩器在起動之后受其頻率補償方式的影響而產生離散性的頻率抖動。

頻率穩(wěn)定度

示3.3V電源電壓、+25℃、測試時間50秒的條件下的各振蕩器頻率穩(wěn)定度實測結果。

關于全硅MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度，與第4）項同樣，因鎖相環(huán)電路補償而出現(xiàn)間斷性的頻率跳動。尤其是耗電量較少的全硅MEMS振蕩器①，由于信號強度弱而隨時產生±0.6×10-6左右的抖動。全硅MEMS振蕩器②在這方面有所改善，仍不及石英晶體振蕩器的穩(wěn)定度。長時間測試時的結果亦表明 全硅MEMS振蕩器①的抖動持續(xù)不絕。

在此須提醒注意的是：這是愛普生晶振公司內獨自實施的測試，測試結果并不能保證實際產品的特性。

比較項目、

頻率溫度特性                  →        溫度變化時頻率的穩(wěn)定性如何？

相位噪音與相位抖動      →        通信設備重要要素之一的噪音性能如何？

電流消耗                          →        消耗的電流量大?。?/span>

起振特性                          →        通電后的起振特性與穩(wěn)定性如何？

頻率穩(wěn)定度                      →        頻率穩(wěn)定性如何？

頻率溫度特性

測試頻率溫度特性時，在-40℃的低溫下頻率穩(wěn)定后，以+2.0℃/分的梯度使溫度連續(xù)上升至+85℃，測試該溫度段中的頻率。

“SG-210S*B”石英晶體振蕩器的溫度特性呈現(xiàn)AT型晶體特有的連續(xù)性的三次曲線。部分產品亦能夠在較大的溫度范圍內保持特性穩(wěn)定，例如帶簡易溫調功能的石英晶體振蕩器“SG-211S*E”等。圖中可以看出全硅MEMS振蕩器與石英晶體振蕩器同樣，亦能夠在大溫度范圍內保持良好的頻率溫度特性。但是，全硅MEMS振蕩器的硅諧振單元的溫度特性為線性，為保證頻率穩(wěn)定性則需要使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路進行精密補償。因此，分頻比切換時將產生間斷性的頻率跳動（溫度特性曲線中的微小折皺）。如上所示，溫度點的振蕩頻率的不連續(xù)性將引起輸出信號相位變化，從而對下文說明的噪音和抖動特性造成不良影響。

相位噪音與相位抖動

表示3.3V電源電壓、+25℃條件下的石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的相位噪音特性實測結果。

全硅MEMS振蕩器的相位噪音曲線的一部分變大，這起因于全硅MEMS振蕩器的基本結構。由于全硅MEMS振蕩器所采用的鎖相環(huán)電路的工作原理是鎖定壓控晶體振蕩器（以下稱為“VCO”）發(fā)出的波源后輸出倍頻，因此這種振蕩器的相位噪音特性受其振蕩電路及鎖相環(huán)電路的兩種因素的影響。通常情況下，全硅MEMS振蕩電路的載波周圍低頻的相位噪音特性不及石英晶體振蕩電路；高頻側則顯示出VCO的相位噪音特性而呈現(xiàn)下降趨勢。

全硅MEMS振蕩器②也可以看出，部分全硅MEMS振蕩器具有良好的相位噪音特性。這類產品為減少高頻側的相位噪音而采用了降低VCO與鎖相環(huán)電路相位噪音的方法。在VCO與鎖相環(huán)電路采取措施降低相位噪音時通常將使耗電量急劇增大。而且，伴隨耗電量的增大，受分頻比切換的影響而產生的雜散將變得更顯著。

根據(jù)SONET/SDH的標準，使用相位抖動的指標之一，從12K至20MHz的相位抖動量進行比較。

使用鎖相環(huán)電路的振蕩器的頻率倍增數(shù)越大相位噪音特性越差，所產生的雜散對相位抖動造成不良影響。全硅MEMS振蕩器②采用了有效的相位噪音特性改良方法，獲得了很好的相位抖動值。但受振蕩器結構的影響，亦未能達到石英晶體振蕩器的數(shù)值。

無線通信設備基于相位調制技術進行通信，若在無線通信設備中使用相位抖動特性較差的振蕩器作為基準信號源，則無法在產生噪音時準確調制，不能正確收發(fā)數(shù)據(jù)，亦可能導致無法發(fā)揮通信設備應有功能的惡果。

各產品評估結果匯總  

評估項目 “SG-210S*B”石英晶體振蕩器 全硅MEMS振蕩器① 全硅MEMS振蕩器②

頻率溫度特性 ○

三次曲線

（“SG-211S*E”帶簡易溫調功能） △

通過精密補償確保穩(wěn)定性，但存在間斷性的頻率跳動

2）相位抖動 ◎

0.32ps ×

15.2ps ○

0.76ps

3）電流消耗 ◎

1.5mA △

7.1mA ×

31.5mA

4）起振特性 ◎

1.5ms以內 ×

90ms左右 ×

250ms左右

5）頻率穩(wěn)定度 ◎

±0.01×10-6以下的穩(wěn)定度 ×

±0.6×10-6左右的穩(wěn)定度，但隨時存在抖動 ○

±0.03×10-6左右的穩(wěn)定度，但隨時存在抖動

綜合評估 ◎ × △

以上對石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性進行了比較。從《各產品評估結果匯總》可以看出，以石英為波源的振蕩器在所有項目中均顯示出高精度及高穩(wěn)定性，是兼具雙方優(yōu)勢的電子元器件。

全硅MEMS振蕩器的風險因素較大，可能無法正確收發(fā)數(shù)據(jù)，有可能導致無法發(fā)揮通信設備應有功能的惡果。與其相比，石英晶體振蕩器的頻率隨溫度變化而呈線形且相對穩(wěn)定，其相位噪音特性在載波周圍低頻至高頻噪音高頻的范圍內保持穩(wěn)定，耗電量小，起動穩(wěn)定性優(yōu)越并具有高的頻率穩(wěn)定度。因此，石英晶體振蕩器更適于高速通信系統(tǒng)中作為基準信號源使用，可有助于構建高可靠性、高穩(wěn)定的系統(tǒng)。

今后，愛普生將充分應用石英的高精度、高穩(wěn)定特性，不斷推出具備顧客應用系統(tǒng)所需性能的石英晶振產品，回應顧客需求。

石英晶體振蕩器是以石英晶體單元的基波振蕩為波源而構成的振蕩器；全硅MEMS振蕩器則以硅諧振單元為波源，并由溫度補償電路及獲取任意頻率的鎖相環(huán)電路構成。本次進行特性比較的振蕩器基本結構如《圖1》所示。從基本結構可以看出，石英晶體振蕩器的結構簡潔，而全硅MEMS振蕩器的結構復雜，包括諧振單元部分、鎖相環(huán)部分及溫度補償部分。受復雜結構的影響，導致振蕩器在噪音增幅、消耗電流的增加等性能方面出現(xiàn)各種差異。下頁《表1》表示振蕩器源自結構差異的不同特征。在此，我們通過石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能比較，介紹作為基準信號源所需特性。

振蕩器的不同結構所引起的特征差異

振蕩器的結構（種類） 特征

石英晶體（基波）振蕩器 利用石英的基波振蕩使電路結構單純簡潔，耗電量少，并具有優(yōu)越的噪音和抖動特性。

全硅MEMS振蕩器 使用鎖相環(huán)電路便于獲得任意頻率，但電路結構復雜造成耗電量增大。而且，全硅MEMS振蕩器使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路對全硅MEMS諧振單元進行溫度補償，為此將產生間斷性的頻率跳動，致使噪音與抖動特性變差。