8大基礎論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應用及性能
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2020年03月12
8大基礎論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應用及性能
十幾年來頻率元件行業里一直存在著一種爭論,就是石英晶體和MEMS振蕩器哪種應用更廣泛?和哪種的性能和性價比更高?相關的業界學術論文和技術資料多不勝數,但始終沒有個結果,目前市場上發展方向仍然是以傳統的石英水晶為主,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,性能,貨源,作用和應用范圍來看,MEMS可編程晶振也并不遜于普通的石英.
當討論振蕩器時,會出現相同的問題.在關鍵應用,MEMS(微機電系統)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,少數公司開發了基于MEMS的振蕩器.如今,只剩下少數幾個了,領先的基于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,他們認為這種做法沒有任何價值.
為電子設備或通信設備選擇振蕩器時,您需要考慮一些時序注意事項:系統性能,系統時鐘,信號質量和參考信號源.這些是決定產品性能水平的關鍵參數.
您可能已經看過MEMS制造商的另一段視頻,將MEMS振蕩器與獨立的石英晶體進行了比較.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立的諧振器.因此,將振蕩器與晶體進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.
結構與特點:
晶體振蕩器使用石英晶體基準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到制造公差和溫度系數.正如這些基本結構所示,晶體振蕩器是簡單構建的高質量時鐘.相反,MEMS振蕩器具有復雜的結構,該結構由MEMS諧振器,分數nPLL和溫度補償網絡組成.他們還需要進行制造校準才能正確運行.
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(通信設備中的關鍵因素)?
4.頻率與溫度特性:頻率相對于溫度變化的穩定性如何?
5.頻率穩定性:在25℃下測量時,頻率有多穩定?
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構的優勢.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.結果,MEMS可編程晶體振蕩器的功耗為6.09mA,而標準石英振蕩器的功耗約為3.16mA,這是MEMS所需的電流的兩倍,以達到與石英振蕩器相當的抖動和相位噪聲水平.
比較振蕩器上電時的穩定性,石英振蕩器在上電后幾乎達到1ppm的精度.盡管MEMS振蕩器難以達到2ppm的精度.啟動后,石英振蕩器是穩定的,但是正如您所看到的,由于PLL和LVCO試圖穩定,因此MEMS振蕩器呈現出震顫.如下圖3所示.
今天,快速啟動比以往任何時候都更為重要.無論是在消費產品,自動化還是軍事應用中,當今的電子設備都需要關閉電源然后再打開,以延長電池壽命或使系統聯機.時鐘在需要時啟動并穩定運行.使用具有更快啟動和穩定度的振蕩器,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.當測量MEMS振蕩器在12kHz至20MHz范圍內的抖動時,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零件進行比較是因為它是許多應用中使用的“標準振蕩器”,并已批量生產.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低失調,因為與石英相比,硅諧振器的”Q”或品質因數較差.在10Hz時,石英振蕩器的相位噪聲比MEMS振蕩器好36dB.低失調的相位噪聲對于無線通信至關重要,并可能導致光通信中的某些錯誤.MEMS振蕩器在高失調(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定性的測量結果如圖6所示.這些結果是在3.3V和25℃的條件下測量50秒的時間.MEMS的頻率躍變約為±600ppb,遠遠超過大多數無線標準.石英振蕩器幾乎沒有運動,而且穩定得多.
比較石英晶振和MEMS的頻率與溫度穩定性時.您會看到,基于石英的振蕩器遵循AT晶體的連續三次曲線,并且在-40℃~+85℃范圍內達到±25ppm,對于大多數應用來說已經足夠了.查看MEMS圖,它似乎具有更好的頻率與溫度特性,但如果仔細觀察,您會發現該圖顯示了在調整PLL分頻比以補償溫度變化時引起的頻率跳變.這會引起明顯的跳頻,以補償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比MEMS穩定得多,并具有很高的”Q”性能.石英振蕩器無需采用溫度補償即可在所需溫度范圍內將穩定性維持在低至±10ppm.如果需要更好的穩定性,則可以向石英振蕩器添加溫度補償,并在整個溫度范圍內獲得低至0.5ppm的穩定性.
6.振動靈敏度
MEMS要求提高振動靈敏度.如果我們查看數據,這將很快被揭穿.規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,直到您認為大多數產品的設計生命周期都少于五年.通常,長壽命設計的生命周期為10到15年,很少的一組需要長達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,因此您的產品可能會使用130,000年.供參考:人類已經存在了20萬年.文明僅6000年.我認為我們都可以同意,30,000年就足夠了.
8.總結
指標1~5的評估結果摘要如下所示.
以上所有論述和技術資料都摘自美國ECS晶振公司發表的文章,結合了近10年的一些數據和實際情況,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別和實際作用.
8大基礎論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應用及性能
十幾年來頻率元件行業里一直存在著一種爭論,就是石英晶體和MEMS振蕩器哪種應用更廣泛?和哪種的性能和性價比更高?相關的業界學術論文和技術資料多不勝數,但始終沒有個結果,目前市場上發展方向仍然是以傳統的石英水晶為主,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,性能,貨源,作用和應用范圍來看,MEMS可編程晶振也并不遜于普通的石英.
當討論振蕩器時,會出現相同的問題.在關鍵應用,MEMS(微機電系統)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,少數公司開發了基于MEMS的振蕩器.如今,只剩下少數幾個了,領先的基于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,他們認為這種做法沒有任何價值.
為電子設備或通信設備選擇振蕩器時,您需要考慮一些時序注意事項:系統性能,系統時鐘,信號質量和參考信號源.這些是決定產品性能水平的關鍵參數.
您可能已經看過MEMS制造商的另一段視頻,將MEMS振蕩器與獨立的石英晶體進行了比較.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立的諧振器.因此,將振蕩器與晶體進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.
結構與特點:
晶體振蕩器使用石英晶體基準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到制造公差和溫度系數.正如這些基本結構所示,晶體振蕩器是簡單構建的高質量時鐘.相反,MEMS振蕩器具有復雜的結構,該結構由MEMS諧振器,分數nPLL和溫度補償網絡組成.他們還需要進行制造校準才能正確運行.
這些振蕩器的基本結構如圖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進行了比較,這六個參數對于通信,網絡,工業和消費電子設備的設計至關重要.ECSInc還提供了已編譯數據的摘要: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(通信設備中的關鍵因素)?
4.頻率與溫度特性:頻率相對于溫度變化的穩定性如何?
5.頻率穩定性:在25℃下測量時,頻率有多穩定?
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構的優勢.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.結果,MEMS可編程晶體振蕩器的功耗為6.09mA,而標準石英振蕩器的功耗約為3.16mA,這是MEMS所需的電流的兩倍,以達到與石英振蕩器相當的抖動和相位噪聲水平.
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定性,石英振蕩器在上電后幾乎達到1ppm的精度.盡管MEMS振蕩器難以達到2ppm的精度.啟動后,石英振蕩器是穩定的,但是正如您所看到的,由于PLL和LVCO試圖穩定,因此MEMS振蕩器呈現出震顫.如下圖3所示.
今天,快速啟動比以往任何時候都更為重要.無論是在消費產品,自動化還是軍事應用中,當今的電子設備都需要關閉電源然后再打開,以延長電池壽命或使系統聯機.時鐘在需要時啟動并穩定運行.使用具有更快啟動和穩定度的振蕩器,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.當測量MEMS振蕩器在12kHz至20MHz范圍內的抖動時,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零件進行比較是因為它是許多應用中使用的“標準振蕩器”,并已批量生產.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低失調,因為與石英相比,硅諧振器的”Q”或品質因數較差.在10Hz時,石英振蕩器的相位噪聲比MEMS振蕩器好36dB.低失調的相位噪聲對于無線通信至關重要,并可能導致光通信中的某些錯誤.MEMS振蕩器在高失調(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n分頻器引起的雜散.這些雜散會發生在帶內并引起確定性抖動(DJ),從而降低系統誤碼性能.對于所有類型的電路:有線,光學和無線電路,抖動引起的DJ必須被視為抖動預算的一部分.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.頻率穩定度每個振蕩器的頻率穩定性的測量結果如圖6所示.這些結果是在3.3V和25℃的條件下測量50秒的時間.MEMS的頻率躍變約為±600ppb,遠遠超過大多數無線標準.石英振蕩器幾乎沒有運動,而且穩定得多.
圖6:石英振蕩器和MEMS振蕩器穩定性圖
5.頻率溫度特性比較石英晶振和MEMS的頻率與溫度穩定性時.您會看到,基于石英的振蕩器遵循AT晶體的連續三次曲線,并且在-40℃~+85℃范圍內達到±25ppm,對于大多數應用來說已經足夠了.查看MEMS圖,它似乎具有更好的頻率與溫度特性,但如果仔細觀察,您會發現該圖顯示了在調整PLL分頻比以補償溫度變化時引起的頻率跳變.這會引起明顯的跳頻,以補償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比MEMS穩定得多,并具有很高的”Q”性能.石英振蕩器無需采用溫度補償即可在所需溫度范圍內將穩定性維持在低至±10ppm.如果需要更好的穩定性,則可以向石英振蕩器添加溫度補償,并在整個溫度范圍內獲得低至0.5ppm的穩定性.
圖7:頻率與溫度40MHz
MEMS技術還聲稱比石英技術有其他改進,但是當您仔細觀察這些領域時,您會發現您付出的遠遠超過了獲得的回報.在這個世界上,沒有什么是免費的.6.振動靈敏度
MEMS要求提高振動靈敏度.如果我們查看數據,這將很快被揭穿.規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,直到您認為大多數產品的設計生命周期都少于五年.通常,長壽命設計的生命周期為10到15年,很少的一組需要長達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,因此您的產品可能會使用130,000年.供參考:人類已經存在了20萬年.文明僅6000年.我認為我們都可以同意,30,000年就足夠了.
8.總結
指標1~5的評估結果摘要如下所示.
8大基礎論述石英晶體與MEMS振蕩器的實際應用及性能
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