石英晶体和MEMS振荡器的性能

当关于振荡器的讨论出现时，同样的问题也会出现。在您对性能的选择是什么呢

关键应用，MEMS（微机电系统）或石英基振荡器？基于mems的振荡器自2005年开始在市场上上市。在过去的15年里，一些公司开发了MEMS-基于振荡器。今天，只有少数留下来，领先的mems振荡器制造商占到约占整个时市场的1%。

当为您的电子设备或通信设备选择振荡器时，会有一些定时您需要考虑的考虑因素是：系统性能、系统时钟、信号质量和参考信号源。这些参数将是决定产品性能水平的关键参数。

你可能看过另一个来自MEMS制造商的视频，比较MEMS振荡器和独立的石英晶体。事实证明，任何振荡器，无论是石英、锯子、陶瓷或MEMS，都将始终优于任何独立的谐振器。因此，将振荡器与晶体进行比较并不是对振荡器性能的真正测试。在这个并排的比较中，我们将观察并直接比较石英基振荡器和MEMS振荡器。

1)基于石英的振荡器。

基于2)MEMS的振荡器。

结构和特点：

一个晶体振荡器使用了一个石英晶体参考线和一个简单的振荡器电路。

一个MEMS振荡器使用一个硅谐振器作为振荡源，并需要一个PLL电路来校正制造公差和温度系数的频率。

正如这些基本结构所表明的，晶体振荡器是简单制造的高质量时钟。相比之下，MEMS振荡器具有复杂的结构，由MEMS谐振器、分数n PLL和温度组成补偿网络。它们还需要制造校准才能正确操作。这些振荡器的基本结构如图1所示。

 

EPSON公司测试和测量了石英振荡器和mems振荡器，并比较了六个参数，这些参数对通信、网络、工业和消费电子设备的设计至关重要。EPSON公司还提供了汇编数据的摘要：

1)功耗：消耗了多少电流？

2)振荡器启动：通电后振荡器启动的速度。

3)抖动和相位噪声：噪声性能是什么（通信设备中的一个关键因素）？

4)频率vs。温度特性：频率相对于温度的变化有多稳定？

5)频率稳定性：在25°C下测量的频率有多稳定？

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)总结：整体绩效评估。

 

1)功耗

基于石英的振荡器具有更低的功耗，因为它们具有一个基频振荡或谐波振荡和一个简单的电路结构的优点。

相比之下，基于mems的振荡器消耗更多的功率，因为它们有更多的电路。PLL和LCVCO提高了总功耗。因此，MEMS振荡器需要6.09 mA，标准石英振荡器需要大约3.16 mA，这是MEMS需要的两倍电流，只能实现类似的抖动和对石英振荡器的相位噪声水平。

图2：40MHz的MEMS和石英振荡器的功耗测量值。

 

2)振荡器的启动特性

比较振荡器通电时的稳定性，石英振荡器几乎在1 ppm时就达到了通电的精度。而MEMS振荡器则在努力达到2 ppm的精度。启动后，石英振荡器是稳定的，但正如你所看到的，MEMS振荡器表现出频率震颤。下面如图3所示。

如今，快速创业比以往任何时候都更重要。无论是消费产品还是自动化产品

应用程序，今天的电子产品需要关闭和打开，以增加电池寿命或使系统在线。时钟要在需要时启动稳定运行。使用一个启动和稳定速度更快的振荡器，如石英振荡器来自EPSON公司，允许更短的唤醒周期和更长的电池寿命。

图3：振荡器启动特性40 MHz

 

3)抖动和相位噪声

A)喷射器

我们选择了现成的、价格比较合理的振荡器。一个有基于mems的谐振器，一个是石英基于谐振器。当测量MEMS振荡器从12 kHz到20 MHz的抖动时，我们得到了1.5 pS的rms的抖动。当测试石英晶体振荡器在12 kHz到20 MHz之间时，我们实现一个0.18 pS的均方根抖动。这几乎是MEMS振荡器的8倍。选择EPSON部分进行比较，因为它是一个“标准振荡器”，用于许多应用，并在大批量生产。见下图4。

B)相位噪声

实验室测量还表明，石英振荡器比MEMS振荡器有更好的相位噪声。

MEMS振荡器具有较高的相位噪声，因为硅谐振器的“Q”或质量因较差。在10 Hz时，石英振荡器比MEMS振荡器有36 dB的相位噪声。低偏移量下的相位噪声对无线通信至关重要，并可能会导致光通信中的一些错误。

MEMS振荡器对于高偏移量（12 kHz到20 MHz）也有更高的相位噪声，因为它们在PLL电路中使用了一个低q的LC振荡器。

图4：石英的相位噪声性能与。微电子机械系统

MEMS振荡器有由分数-n分频器引起的热刺。这些热刺发生在带内，并引起确定性的抖动（DJ），可降低系统误码性能。刺激诱导的DJ必须被视为抖动的一部分,所有类型的电路的预算：有线、光学和无线。使用基本晶体的石英振荡器没有这样的马刺。

图5：比较振荡器的抖动和相位噪声。

4)频率稳定性

每个振荡器的频率稳定性的测量值如下图6所示。这些结果是在3.3 V和25°C下测量50秒。MEMS的频率跳跃在±600 ppb左右，远远超过大多数无线标准。石英基振荡器的运动能力很小，而且更稳定。

图6：石英振荡器和MEMS振荡器稳定性图

5)频率过温特性

当比较频率和频率时。石英和MEMS的温度稳定性。你可以看到，石英基的振荡器遵循AT晶体的连续立方曲线，从-40°C~+85°C达到±25 ppm，这对于大多数应用来说是足够好的了。

从MEMS图来看，它似乎有更好的频率和温度特征，但如果你仔细看，你可以看到图显示了当调整PLL除法比以补偿温度变化时引起的频率跳跃。这导致了显著的频率跳跃，以补偿相当大的MEMS谐振器的频率漂移（30ppm/°C或3750ppm-40°C~+85°C）石英在温度上比MEMS更稳定，并提供较高的“Q”性能。石英基

振荡器不需要采用温度补偿来保持低至±10 ppm的稳定性所需温度范围。如果需要更好的稳定性，您可以向石英中添加温度补偿振荡器的稳定性低至0.5 ppm。

图7：频率vs。温度40 MHz

 

MEMS技术也声称比石英技术有其他改进，但当你仔细看这些领域你发现你放弃比你得到的更多。在这个世界上，没有什么是自由的。

6)振动灵敏度

MEMS声称在振动灵敏度方面的性能有所提高。如果我们看一下这些数据，这一点很快就会被揭穿。典型的

测量范围从小于一个水平到2 kHz。振动密度水平大大降低2 kHz以上。我们测量了在12 kHz到20 MHz范围内的相位抖动积分。这个范围明显更高超过了任何客户都会指定的最大振动水平。随着石英几何结构的改进，更高的频率空白，和更好的制造工艺，石英制造商已经大大提高了对MEMS的振动灵敏度。

振动灵敏度测量单位为每g振动的10亿分之一（ppb/g）

A) MEMS的振动灵敏度范围为0.01 ppb/g ~ 1 ppb/g。

B)石英振动灵敏度范围为0.1 ppb/g ~ 1 ppb/g