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MEMS與晶體振蕩器的區(qū)別

發(fā)布時間:2024-03-04 08:46:58     瀏覽:1073

  現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展需要準(zhǔn)確的頻率控制和定時。電子設(shè)備通常依賴于精密的時鐘系統(tǒng),缺乏精確的振蕩器時鐘將導(dǎo)致電子通信中斷。本文比較了不同應(yīng)用中最新精密時鐘技術(shù)的優(yōu)勢。

  時鐘技術(shù)的發(fā)展歷程

  石英晶體振蕩器自上世紀(jì)20年代推出以來,在電子計時設(shè)備中一直扮演重要角色。而自上世紀(jì)60年代開始研發(fā)并于2005年批量生產(chǎn)的微機電系統(tǒng)(MEMS)諧振器時鐘則是新型振蕩器的代表。

  如今,MEMS振蕩器在許多大規(guī)模、低成本應(yīng)用中逐漸取代了石英晶體振蕩器。然而,根據(jù)設(shè)備的具體用途,對于這兩種技術(shù)還需進行權(quán)衡和考量。

  權(quán)衡:MEMS與石英晶體振蕩器

  為了更好地理解它們的差異,我們可以看到MEMS振蕩器和石英晶體振蕩器電路框圖的對比。MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,包括微機械硅諧振器和一個用于頻率控制的PLL數(shù)字電路。

圖片3.png

  相比之下,石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)簡單,主要依賴高“Q”值的石英晶體諧振器決定頻率。

  MEMS和石英晶體振蕩器都可以通過溫度補償實現(xiàn)低于1 PPM的穩(wěn)定性,或者使用烤箱控制達到PPB級別的精度。晶體振蕩器可分為TCXO和OCXO兩種,而類似補償?shù)腗EMS則用XO表示。

  制造商正在大幅提升MEMS性能,例如SiTime利用數(shù)字補償技術(shù)實現(xiàn)幾乎任意精度的MEMS。

  下面將討論石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器之間性能權(quán)衡的核心問題:

  相位噪聲和抖動

  MEMS相較于石英鐘能更好地承受沖擊和振動,因為石英諧振器較大,容易在高沖擊水平下斷裂。

  MEMS和石英晶體振蕩器的相位噪聲對比見圖4。盡管MEMS在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色,且不斷改進相位噪聲和抖動性能,但在靜態(tài)相位噪聲、抖動和其他短期穩(wěn)定性參數(shù)上,無法與石英媲美。石英晶體振蕩器的“Q”電平更高,減少相位噪聲和抖動,在一些關(guān)鍵應(yīng)用中仍占主導(dǎo)地位。

圖片4.png

  此外,MEMS提升相位噪聲和抖動性能常伴隨著更高功耗。石英振蕩器比MEMS更高效、更可靠,MEMS復(fù)雜電路消耗更多功率,可能導(dǎo)致啟動時間延遲。石英鐘還能承受更高輻射劑量,因MEMS鐘包含不耐輻射的PLL。

  溫度穩(wěn)定性

  圖5和圖6闡述了MEMS和石英振蕩器之間頻率與溫度性能的權(quán)衡。從圖5可看出,MEMS在頻率與溫度性能上有優(yōu)勢。

圖片5.png圖片6.png

  然而,隨著時間推移,MEMS頻率會出現(xiàn)跳躍,每次分頻比變化以補償溫度變化時。高“Q”值石英晶體具有固有的穩(wěn)定平滑曲線。

  MEMS諧振器通過數(shù)字校正,可實現(xiàn)幾乎任意穩(wěn)定性,但消耗更多功耗。每個短周期會有多次微頻跳躍,需數(shù)字方式校正至所需穩(wěn)定水平。由于數(shù)字校正引起的抖動,曲線不平滑,有大量小頻率跳躍,導(dǎo)致MEMS鐘的相位噪聲和抖動比石英晶體振蕩器更差。

  制造和成本

  與晶體振蕩器相比,MEMS鐘在成本、產(chǎn)量和交貨時間上具有多項優(yōu)勢。石英晶體振蕩器存在較高的制造成本。

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