8大基礎(chǔ)論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應(yīng)用及性能
來源：http://djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2020年03月12
8大基礎(chǔ)論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應(yīng)用及性能
十幾年來頻率元件行業(yè)里一直存在著一種爭論,就是石英晶體和MEMS振蕩器哪種應(yīng)用更廣泛?和哪種的性能和性價比更高?相關(guān)的業(yè)界學(xué)術(shù)論文和技術(shù)資料多不勝數(shù),但始終沒有個結(jié)果,目前市場上發(fā)展方向仍然是以傳統(tǒng)的石英水晶為主,石英晶體和石英晶體振蕩器的受眾群體更大,市場占有比率也是非常高的.但也并不能說明硅晶體振蕩器沒有太大用處,從參數(shù),性能,貨源,作用和應(yīng)用范圍來看,MEMS可編程晶振也并不遜于普通的石英.
當(dāng)討論振蕩器時,會出現(xiàn)相同的問題.在關(guān)鍵應(yīng)用,MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))或石英振蕩器中,性能的選擇是什么?自2005年以來,基于MEMS的振蕩器已投放市場.在過去的15多年中,少數(shù)公司開發(fā)了基于MEMS的振蕩器.如今,只剩下少數(shù)幾個了,領(lǐng)先的基于MEMS的振蕩器制造商約占整個時序市場的1％.兩家公司的許多頻率控制制造商都擁有自有品牌,但ECS除外,他們認(rèn)為這種做法沒有任何價值.
為電子設(shè)備或通信設(shè)備選擇振蕩器時,您需要考慮一些時序注意事項:系統(tǒng)性能,系統(tǒng)時鐘,信號質(zhì)量和參考信號源.這些是決定產(chǎn)品性能水平的關(guān)鍵參數(shù).
您可能已經(jīng)看過MEMS制造商的另一段視頻,將MEMS振蕩器與獨(dú)立的石英晶體進(jìn)行了比較.事實證明,無論是石英晶振,SAW聲表面濾波器,陶瓷晶振還是MEMS可編程振蕩器,任何振蕩器都將始終勝過任何獨(dú)立的諧振器.因此,將振蕩器與晶體進(jìn)行比較并不是對振蕩器性能的真實測試.在這種并排比較中,我們將研究并直接比較基于石英的振蕩器和MEMS振蕩器.
1) 石英振蕩器.
2) 基于MEMS的振蕩器.
結(jié)構(gòu)與特點:
晶體振蕩器使用石英晶體基準(zhǔn)和簡單的振蕩器電路,MEMS振蕩器使用硅諧振器作為振蕩源,并需要PLL電路來校正頻率以達(dá)到制造公差和溫度系數(shù).正如這些基本結(jié)構(gòu)所示,晶體振蕩器是簡單構(gòu)建的高質(zhì)量時鐘.相反,MEMS振蕩器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由MEMS諧振器,分?jǐn)?shù)nPLL和溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組成.他們還需要進(jìn)行制造校準(zhǔn)才能正確運(yùn)行.
1.功耗:消耗多少電流?
2.振蕩器起振:通電后振蕩器起振的速度有多快.
3.抖動和相位噪聲:噪聲性能是什么(通信設(shè)備中的關(guān)鍵因素)?
4.頻率與溫度特性:頻率相對于溫度變化的穩(wěn)定性如何?
5.頻率穩(wěn)定性:在25℃下測量時,頻率有多穩(wěn)定?
6.振動靈敏度:在不利條件下的性能
7.可靠性:平均故障間隔時間.也稱為(MTBF)
8.摘要:總體績效評估.
1.耗電量:
基于石英的振蕩器具有低得多的功耗,因為它們具有基波或諧波振蕩以及簡單的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.相比之下,基于MEMS的振蕩器會消耗更多的功率,因為它們具有更多的電路.PLL和LCVCO會增加總功耗.結(jié)果,MEMS可編程晶體振蕩器的功耗為6.09mA,而標(biāo)準(zhǔn)石英振蕩器的功耗約為3.16mA,這是MEMS所需的電流的兩倍,以達(dá)到與石英振蕩器相當(dāng)?shù)亩秳雍拖辔辉肼曀?
比較振蕩器上電時的穩(wěn)定性,石英振蕩器在上電后幾乎達(dá)到1ppm的精度.盡管MEMS振蕩器難以達(dá)到2ppm的精度.啟動后,石英振蕩器是穩(wěn)定的,但是正如您所看到的,由于PLL和LVCO試圖穩(wěn)定,因此MEMS振蕩器呈現(xiàn)出震顫.如下圖3所示.
今天,快速啟動比以往任何時候都更為重要.無論是在消費(fèi)產(chǎn)品,自動化還是軍事應(yīng)用中,當(dāng)今的電子設(shè)備都需要關(guān)閉電源然后再打開,以延長電池壽命或使系統(tǒng)聯(lián)機(jī).時鐘在需要時啟動并穩(wěn)定運(yùn)行.使用具有更快啟動和穩(wěn)定度的振蕩器,例如ECSInc.的石英振蕩器,可以縮短喚醒周期并延長電池壽命.
A)抖動
我們選擇價格可比的振蕩器.一種帶有基于MEMS的諧振器,另一種帶有基于石英的諧振器.當(dāng)測量MEMS振蕩器在12kHz至20MHz范圍內(nèi)的抖動時,得到的抖動為1.5pSrms.在12kHz至20MHz的SONET帶寬上測試基于石英的晶體振蕩器時,我們實現(xiàn)了0.18pSrms的均方根抖動.這幾乎是MEMS振蕩器的八倍.選擇ECS零件進(jìn)行比較是因為它是許多應(yīng)用中使用的“標(biāo)準(zhǔn)振蕩器”,并已批量生產(chǎn).請參見下面的圖4.
B)相位噪聲
實驗室測量還表明,SMD有源晶振的相位噪聲要比MEMS振蕩器好得多.MEMS振蕩器具有較高的相位噪聲以實現(xiàn)低失調(diào),因為與石英相比,硅諧振器的”Q”或品質(zhì)因數(shù)較差.在10Hz時,石英振蕩器的相位噪聲比MEMS振蕩器好36dB.低失調(diào)的相位噪聲對于無線通信至關(guān)重要,并可能導(dǎo)致光通信中的某些錯誤.MEMS振蕩器在高失調(diào)(12kHz至20MHz)時也具有較高的相位噪聲,因為它們在PLL電路中使用了低QLC振蕩器.
每個振蕩器的頻率穩(wěn)定性的測量結(jié)果如圖6所示.這些結(jié)果是在3.3V和25℃的條件下測量50秒的時間.MEMS的頻率躍變約為±600ppb,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)無線標(biāo)準(zhǔn).石英振蕩器幾乎沒有運(yùn)動,而且穩(wěn)定得多.
比較石英晶振和MEMS的頻率與溫度穩(wěn)定性時.您會看到,基于石英的振蕩器遵循AT晶體的連續(xù)三次曲線,并且在-40℃~+85℃范圍內(nèi)達(dá)到±25ppm,對于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了.查看MEMS圖,它似乎具有更好的頻率與溫度特性,但如果仔細(xì)觀察,您會發(fā)現(xiàn)該圖顯示了在調(diào)整PLL分頻比以補(bǔ)償溫度變化時引起的頻率跳變.這會引起明顯的跳頻,以補(bǔ)償MEMS諧振器的明顯頻率漂移(30ppm/℃或3750ppm-40℃~+85℃)
石英在整個溫度范圍內(nèi)比MEMS穩(wěn)定得多,并具有很高的”Q”性能.石英振蕩器無需采用溫度補(bǔ)償即可在所需溫度范圍內(nèi)將穩(wěn)定性維持在低至±10ppm.如果需要更好的穩(wěn)定性,則可以向石英振蕩器添加溫度補(bǔ)償,并在整個溫度范圍內(nèi)獲得低至0.5ppm的穩(wěn)定性.
6.振動靈敏度
MEMS要求提高振動靈敏度.如果我們查看數(shù)據(jù),這將很快被揭穿.規(guī)定的典型測量范圍是從小于一個電平到2kHz.高于2kHz時,振動密度會大大降低.我們測量的相位抖動積分范圍為12kHz至20MHz.該范圍明顯高于任何客戶指定的最大振動水平.通過改進(jìn)石英的幾何形狀,更高頻率的毛坯和更好的制造工藝,石英制造商已大大提高了與MEMS相比的振動靈敏度.
振動敏感度的度量單位是每十億分之一振動的十億分之一(ppb/g)
A)MEMS振動敏感度的范圍是0.01ppb/g~1ppb/g.
B)石英振動靈敏度范圍為0.1ppb/g~1ppb/g
7.可靠性(MTBF)
MEMS的平均故障間隔時間(MTBF)為130,000年,而石英水晶振子的平均故障間隔時間為30,000年.從表面上看,4:1的改善比率似乎是一個重要的話題,直到您認(rèn)為大多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計生命周期都少于五年.通常,長壽命設(shè)計的生命周期為10到15年,很少的一組需要長達(dá)20年.如果比較在比較MEMS和石英時所損失的抖動,相位噪聲和溫度性能折衷,則今天您將放棄大量的性能,因此您的產(chǎn)品可能會使用130,000年.供參考:人類已經(jīng)存在了20萬年.文明僅6000年.我認(rèn)為我們都可以同意,30,000年就足夠了.
8.總結(jié)
指標(biāo)1~5的評估結(jié)果摘要如下所示.
以上所有論述和技術(shù)資料都摘自美國ECS晶振公司發(fā)表的文章,結(jié)合了近10年的一些數(shù)據(jù)和實際情況,該論文中提到的8大重要點和知識點,都是用戶和工程們比較感興趣和需要知道的一些話題,文章進(jìn)行了一一剖析和講解,讓廣大新老客戶更加了解晶體與硅晶之間的區(qū)別和實際作用.
8大基礎(chǔ)論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應(yīng)用及性能
十幾年來頻率元件行業(yè)里一直存在著一種爭論,就是石英晶體和MEMS振蕩器哪種應(yīng)用更廣泛?和哪種的性能和性價比更高?相關(guān)的業(yè)界學(xué)術(shù)論文和技術(shù)資料多不勝數(shù),但始終沒有個結(jié)果,目前市場上發(fā)展方向仍然是以傳統(tǒng)的石英水晶為主,石英晶體和石英晶體振蕩器的受眾群體更大,市場占有比率也是非常高的.但也并不能說明硅晶體振蕩器沒有太大用處,從參數(shù),性能,貨源,作用和應(yīng)用范圍來看,MEMS可編程晶振也并不遜于普通的石英.
當(dāng)討論振蕩器時,會出現(xiàn)相同的問題.在關(guān)鍵應(yīng)用,MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))或石英振蕩器中,性能的選擇是什么?自2005年以來,基于MEMS的振蕩器已投放市場.在過去的15多年中,少數(shù)公司開發(fā)了基于MEMS的振蕩器.如今,只剩下少數(shù)幾個了,領(lǐng)先的基于MEMS的振蕩器制造商約占整個時序市場的1％.兩家公司的許多頻率控制制造商都擁有自有品牌,但ECS除外,他們認(rèn)為這種做法沒有任何價值.
為電子設(shè)備或通信設(shè)備選擇振蕩器時,您需要考慮一些時序注意事項:系統(tǒng)性能,系統(tǒng)時鐘,信號質(zhì)量和參考信號源.這些是決定產(chǎn)品性能水平的關(guān)鍵參數(shù).
您可能已經(jīng)看過MEMS制造商的另一段視頻,將MEMS振蕩器與獨(dú)立的石英晶體進(jìn)行了比較.事實證明,無論是石英晶振,SAW聲表面濾波器,陶瓷晶振還是MEMS可編程振蕩器,任何振蕩器都將始終勝過任何獨(dú)立的諧振器.因此,將振蕩器與晶體進(jìn)行比較并不是對振蕩器性能的真實測試.在這種并排比較中,我們將研究并直接比較基于石英的振蕩器和MEMS振蕩器.
1) 石英振蕩器.
2) 基于MEMS的振蕩器.
結(jié)構(gòu)與特點:
晶體振蕩器使用石英晶體基準(zhǔn)和簡單的振蕩器電路,MEMS振蕩器使用硅諧振器作為振蕩源,并需要PLL電路來校正頻率以達(dá)到制造公差和溫度系數(shù).正如這些基本結(jié)構(gòu)所示,晶體振蕩器是簡單構(gòu)建的高質(zhì)量時鐘.相反,MEMS振蕩器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由MEMS諧振器,分?jǐn)?shù)nPLL和溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組成.他們還需要進(jìn)行制造校準(zhǔn)才能正確運(yùn)行.
這些振蕩器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.
ECS IncInternational測試和測量了基于石英的有源晶振和基于MEMS的振蕩器,并將它們與六個參數(shù)進(jìn)行了比較,這六個參數(shù)對于通信,網(wǎng)絡(luò),工業(yè)和消費(fèi)電子設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要.ECSInc還提供了已編譯數(shù)據(jù)的摘要:1.功耗:消耗多少電流?
2.振蕩器起振:通電后振蕩器起振的速度有多快.
3.抖動和相位噪聲:噪聲性能是什么(通信設(shè)備中的關(guān)鍵因素)?
4.頻率與溫度特性:頻率相對于溫度變化的穩(wěn)定性如何?
5.頻率穩(wěn)定性:在25℃下測量時,頻率有多穩(wěn)定?
6.振動靈敏度:在不利條件下的性能
7.可靠性:平均故障間隔時間.也稱為(MTBF)
8.摘要:總體績效評估.
1.耗電量:
基于石英的振蕩器具有低得多的功耗,因為它們具有基波或諧波振蕩以及簡單的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.相比之下,基于MEMS的振蕩器會消耗更多的功率,因為它們具有更多的電路.PLL和LCVCO會增加總功耗.結(jié)果,MEMS可編程晶體振蕩器的功耗為6.09mA,而標(biāo)準(zhǔn)石英振蕩器的功耗約為3.16mA,這是MEMS所需的電流的兩倍,以達(dá)到與石英振蕩器相當(dāng)?shù)亩秳雍拖辔辉肼曀?
圖2:40MHzMEMS和石英振蕩器的功耗測量.
2.振蕩器起振特性比較振蕩器上電時的穩(wěn)定性,石英振蕩器在上電后幾乎達(dá)到1ppm的精度.盡管MEMS振蕩器難以達(dá)到2ppm的精度.啟動后,石英振蕩器是穩(wěn)定的,但是正如您所看到的,由于PLL和LVCO試圖穩(wěn)定,因此MEMS振蕩器呈現(xiàn)出震顫.如下圖3所示.
今天,快速啟動比以往任何時候都更為重要.無論是在消費(fèi)產(chǎn)品,自動化還是軍事應(yīng)用中,當(dāng)今的電子設(shè)備都需要關(guān)閉電源然后再打開,以延長電池壽命或使系統(tǒng)聯(lián)機(jī).時鐘在需要時啟動并穩(wěn)定運(yùn)行.使用具有更快啟動和穩(wěn)定度的振蕩器,例如ECSInc.的石英振蕩器,可以縮短喚醒周期并延長電池壽命.
圖3:振蕩器起振特性40MHz
3.抖動和相位噪聲A)抖動
我們選擇價格可比的振蕩器.一種帶有基于MEMS的諧振器,另一種帶有基于石英的諧振器.當(dāng)測量MEMS振蕩器在12kHz至20MHz范圍內(nèi)的抖動時,得到的抖動為1.5pSrms.在12kHz至20MHz的SONET帶寬上測試基于石英的晶體振蕩器時,我們實現(xiàn)了0.18pSrms的均方根抖動.這幾乎是MEMS振蕩器的八倍.選擇ECS零件進(jìn)行比較是因為它是許多應(yīng)用中使用的“標(biāo)準(zhǔn)振蕩器”,并已批量生產(chǎn).請參見下面的圖4.
B)相位噪聲
實驗室測量還表明,SMD有源晶振的相位噪聲要比MEMS振蕩器好得多.MEMS振蕩器具有較高的相位噪聲以實現(xiàn)低失調(diào),因為與石英相比,硅諧振器的”Q”或品質(zhì)因數(shù)較差.在10Hz時,石英振蕩器的相位噪聲比MEMS振蕩器好36dB.低失調(diào)的相位噪聲對于無線通信至關(guān)重要,并可能導(dǎo)致光通信中的某些錯誤.MEMS振蕩器在高失調(diào)(12kHz至20MHz)時也具有較高的相位噪聲,因為它們在PLL電路中使用了低QLC振蕩器.
圖4:石英與MEMS的相位噪聲性能
MEMS振蕩器具有由小數(shù)n分頻器引起的雜散.這些雜散會發(fā)生在帶內(nèi)并引起確定性抖動(DJ),從而降低系統(tǒng)誤碼性能.對于所有類型的電路:有線,光學(xué)和無線電路,抖動引起的DJ必須被視為抖動預(yù)算的一部分.使用基本晶體的石英振蕩器沒有這種雜散.
圖5:比較振蕩器的測得抖動和相位噪聲.
4.頻率穩(wěn)定度每個振蕩器的頻率穩(wěn)定性的測量結(jié)果如圖6所示.這些結(jié)果是在3.3V和25℃的條件下測量50秒的時間.MEMS的頻率躍變約為±600ppb,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)無線標(biāo)準(zhǔn).石英振蕩器幾乎沒有運(yùn)動,而且穩(wěn)定得多.
圖6:石英振蕩器和MEMS振蕩器穩(wěn)定性圖
5.頻率溫度特性比較石英晶振和MEMS的頻率與溫度穩(wěn)定性時.您會看到,基于石英的振蕩器遵循AT晶體的連續(xù)三次曲線,并且在-40℃~+85℃范圍內(nèi)達(dá)到±25ppm,對于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了.查看MEMS圖,它似乎具有更好的頻率與溫度特性,但如果仔細(xì)觀察,您會發(fā)現(xiàn)該圖顯示了在調(diào)整PLL分頻比以補(bǔ)償溫度變化時引起的頻率跳變.這會引起明顯的跳頻,以補(bǔ)償MEMS諧振器的明顯頻率漂移(30ppm/℃或3750ppm-40℃~+85℃)
石英在整個溫度范圍內(nèi)比MEMS穩(wěn)定得多,并具有很高的”Q”性能.石英振蕩器無需采用溫度補(bǔ)償即可在所需溫度范圍內(nèi)將穩(wěn)定性維持在低至±10ppm.如果需要更好的穩(wěn)定性,則可以向石英振蕩器添加溫度補(bǔ)償,并在整個溫度范圍內(nèi)獲得低至0.5ppm的穩(wěn)定性.
圖7:頻率與溫度40MHz
MEMS技術(shù)還聲稱比石英技術(shù)有其他改進(jìn),但是當(dāng)您仔細(xì)觀察這些領(lǐng)域時,您會發(fā)現(xiàn)您付出的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了獲得的回報.在這個世界上,沒有什么是免費(fèi)的.6.振動靈敏度
MEMS要求提高振動靈敏度.如果我們查看數(shù)據(jù),這將很快被揭穿.規(guī)定的典型測量范圍是從小于一個電平到2kHz.高于2kHz時,振動密度會大大降低.我們測量的相位抖動積分范圍為12kHz至20MHz.該范圍明顯高于任何客戶指定的最大振動水平.通過改進(jìn)石英的幾何形狀,更高頻率的毛坯和更好的制造工藝,石英制造商已大大提高了與MEMS相比的振動靈敏度.
振動敏感度的度量單位是每十億分之一振動的十億分之一(ppb/g)
A)MEMS振動敏感度的范圍是0.01ppb/g~1ppb/g.
B)石英振動靈敏度范圍為0.1ppb/g~1ppb/g
7.可靠性(MTBF)
MEMS的平均故障間隔時間(MTBF)為130,000年,而石英水晶振子的平均故障間隔時間為30,000年.從表面上看,4:1的改善比率似乎是一個重要的話題,直到您認(rèn)為大多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計生命周期都少于五年.通常,長壽命設(shè)計的生命周期為10到15年,很少的一組需要長達(dá)20年.如果比較在比較MEMS和石英時所損失的抖動,相位噪聲和溫度性能折衷,則今天您將放棄大量的性能,因此您的產(chǎn)品可能會使用130,000年.供參考:人類已經(jīng)存在了20萬年.文明僅6000年.我認(rèn)為我們都可以同意,30,000年就足夠了.
8.總結(jié)
指標(biāo)1~5的評估結(jié)果摘要如下所示.
8大基礎(chǔ)論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應(yīng)用及性能
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