MEMS or 石英晶體？一切盡在應用中
2023-04-17 12:45:19 EETOP精確的頻率控制和定時對所有現代電子技術都是必不可少的。
閱讀本文你將了解到以下內容：
您能想象到的幾乎所有電子設備都依賴于精密時鐘。沒有精密振蕩器時鐘，所有電子通信都會停止。本文比較了最新精密時鐘技術在不同應用中的各自優勢。
石英晶體振蕩器于 1920 年代推出，長期以來一直是電子設備中的主力軍。相對來說微機電系統 (MEMS) 諧振器時鐘是一種較新的振蕩器技術，它從20世紀60年代開始開發，并在2005 年開始量產。
如今，MEMS 振蕩器在許多大批量、低成本應用中已在一定程度上取代了晶體振蕩器。然而，與技術世界中的許多事情一樣，必須根據使用該設備的應用來考慮權衡使用的情況。
圖 1a和1b顯示了 MEMS 振蕩器和晶體振蕩器電路的框圖。MEMS 振蕩器更復雜。除了微機械硅諧振器外，其數字電路還包括一個鎖相環 (PLL) 來確定和控制頻率。
1. MEMS振蕩器和晶體振蕩器電路框圖顯示了解決方案之間的差異。
相比之下，晶體振蕩器非常簡單，并且在很大程度上依賴于非常高的Q值石英晶體諧振器作為唯一的頻率確定元件，如圖1c所示。
MEMS 和晶體振蕩器都可以通過使用溫度補償來實現小于 1 ppm 的穩定性或使用恒溫控制（oven-control）來實現十億分之一 (PPB) 級別的穩定性，從而變得更加精確。通常，使用這些補償方法的晶體振蕩器分別稱為 TCXO 和 OCXO。雖然“XO”專門用于晶體振蕩器，但這些術語也通常用于指代類似補償的MEMS。
當涉及到隨溫度變化的絕對頻率穩定性時，制造商正在實現MEMS性能的巨大改進。例如，SiTime正在通過數字補償技術制造幾乎是任意精度的MEMS。了解石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器之間的性能權衡很重要。
MEMS 可以承受更高的沖擊水平，并且比石英鐘更不易受振動敏感性的影響。由于石英諧振器具有相對較大的質量，因此可能會在非常高的沖擊水平下發生斷裂。
圖 2比較了 MEMS 和石英晶體振蕩器的相位噪聲。雖然 MEMS 可以在穩定性方面做得非常精確，并在相位噪聲和抖動性能方面不斷提高，但它們在靜態相位噪聲、抖動和其他一些短期穩定性參數方面永遠不如石英。
2. 石英晶體振蕩器與兩個等效MEMS 振蕩器的相位噪聲比較。
石英晶體振蕩器固有的一個好處是它們的Q值高得多，這會導致較低的相位噪聲和較低的抖動。因此，在很重要的應用中，石英仍然占據主導地位。此外，改進的 MEMS 相位噪聲和抖動性能總是以更高的功耗為代價的。
石英振蕩器比 MEMS 設備更高效、更可靠。MEMS 設備的復雜電路消耗更多功率并可能導致啟動時間更慢。此外，因為 MEMS 時鐘包含不耐輻射的 PLL，相比而言石英振蕩器可以承受更高劑量的輻射。
圖 3和圖 4說明了 MEMS 和石英振蕩器之間最重要權衡背后的原因。圖 3顯示了與同類 MEMS 器件相比典型石英振蕩器的頻率與溫度性能。該圖的第一印象可能是 MEMS 振蕩器實際上表現出更好的頻率與溫度性能。
3. 該圖比較了石英晶體與 MEMS 振蕩器的頻率穩定性。
然而，經過仔細檢查，圖 4顯示，隨著時間的推移，每當分頻比切換以補償溫度變化時，MEMS 振蕩器就會出現頻率跳變。高Q值石英晶體具有固有的穩定和平滑曲線。
4. MEMS 頻率穩定性表現出與晶體不同的頻率跳躍。
MEMS 諧振器可以進行數字校正以達到幾乎任何級別的穩定性。然而，這是以增加功耗為代價的。此外，它在每個短周期內始終會有微頻率跳躍，必須通過數字方式將其校正回所需的穩定性水平。
MEMS 諧振器曲線不平滑，因為數字校正引起的抖動導致它有大量小的頻率跳躍。如果使用更大的功率，可以減少抖動，但永遠不會消除。這就是導致 MEMS 時鐘具有比石英晶體振蕩器更差的相位噪聲和抖動的原因。
與晶體振蕩器相比，MEMS 時鐘在成本、產量和交貨時間方面具有多項優勢。由于石英晶體振蕩器本質上是“定制的”，因此 MEMS 時鐘通常更便宜且生產速度更快。
此外，MEMS使用的是半導體制造方法，制造量非常大。因此，不需要石英的良好相位噪聲和低抖動優勢、可以承受較高功耗且不會暴露于任何輻射的應用通常會使用便宜得多的 MEMS。
這兩種技術在未來都有自己的位置。總的來說，MEMS 振蕩器已經表現出非常好的性能，代表著一項極具價值的技術進步，并將繼續得到改進。它們將在大批量低成本時鐘應用中占據主導地位，尤其是在低相位噪聲并不重要的汽車行業。
就其本身而言，石英晶體振蕩器將繼續主導太空應用（使用MEMS是不可能的），以及射頻和微波應用、雷達和其他噪聲敏感電路。
