MEMS振荡器与石英技术

2013-11-21 11:11:13来源: 互联网

从简单的精度约30000ppm的RC振荡器,到精度优于0.001ppb的原子钟,有很多满足不同应用要求的时钟选项。多年以来,体声波(BAW)晶体振荡器可用以满足大多数要求,它提供的精度在10ppm范围内。精度低一些的选择,如SAW振荡器、陶瓷振荡器以及IC振荡器,它们各自具有其满足特定需求的优势。

  长期以来,石英基器件被作为大多数其他定时器件用来比较的标准。石英作为频率选择与定时器件的稳定、可控的高质量材料的历史得到了广泛认可,并且频率温度响应、老化率以及抖动相位噪声特性也在业界被详尽记载。

  

  图1 相位噪声图

  与基于MEMS的振荡器相关的最新介绍常常伴有一些论断,认为该技术可提供更低的成本、更短的设计与生产周期、卓越的冲击与振动性能以及更为出色的信号质量,从而将最终取代石英。除了这些论断外,已获得的能够有助于理解MEMS振荡器特性的研究极少。本研究力图提供MEMS振荡器与传统基于石英谐振器的振荡器的直接对比。多年以来,体声波晶体振荡器以其10×10-6精度范围满足了绝大多数需求。

  研究方法

  这里给出的结果基于典型频率控制的业界测量技术的应用,并代表了在2008年进行此研究时获得的商业化技术。许多电特性被评估,包括频率温度特性、相位噪声/抖动、短期稳定度、启动时间、电流与长期稳定度(老化率)。

  限于篇幅,本文仅给出相位噪声/抖动与短期稳定度相关的数据。登录www.pletronics.com/ple/pages/documentation/,可获得完整研究的PDF副本。

  上述产品均为CMOS电平输出,工作在3.0或3.3V,输出频率为25~50MHz。测试的BAW石英晶体振荡器,25MHz时为基谐波模式,50MHz时为三阶谐波模式。这里给出的结果为典型器件的测试值或该型号的多个器件的平均值。

相位噪声/抖动

  这里采用安捷伦(Agilent)5052信号源分析仪测试系统进行测量。该系统测量除有效信号外的其他输出信号电平,它还是实际主输出电平的参考。振荡器在同样的电容器旁路的带15pF负荷的固定设备中工作,由低噪声Agilent线性电源供电。

  如图1所示,较高的相位噪声水平表明MEMS振荡器技术并不是一项等效技术。Agilent测试系统测试结果表明,当前通信与数据传输应用很可能出现抖动的问题。

  相位噪声图很好地展示了这些采用了不同技术的器件的设计与特性。邻近区相位噪声水平(《1kHz)主要取决于Q值或谐振器的选择,石英BAW谐振器的选择性远高于其他MEMS器件。

  

  (a)和MEMS2谐振振荡器

  

  (b)的短期稳定度

  图2 MEMS1谐振振荡器

  1~100kHz部分反映了设计的相关信息。MEMS振荡器采用锁相环(PLL)设计,在该设计中MEMS谐振器由M/N合成环路的VCO锁相。MEMS振荡器的相位噪声水平是PLL环路带宽、VCO选择性与主要谐振器的Q值共同影响的结果。石英谐振器器件工作在输出频率,且在输出端没有PLL的附加噪声信号。

  相位噪声可在确定的频率区间上积分并从频域转换至时域,以提供抖动值的均方根,如表1所示。这是计算基于石英晶体的谐振器抖动的常规作法,石英晶体的抖动性能通常等于或超过最好的示波器

短期稳定度

  如图2所示,此处给出的短期稳定度数据是在8分钟内每隔0.1s测量稳定在25℃(误差仅零点几度)的振荡器的频率值。各部分均由安捷伦53152频率计数器测试,该计数器利用铷原子频率标准参考源进行工作。频率变化以第一次读数的百万分率为单位显示在图中。

  

  BAW振荡器的图表(此处不再列出,但在完整研究报告中可找到)为大多数人所熟知。对于相同的测试,典型的BAW振荡器偏差低于±0.02ppm,这样会在零偏差图表线处形成一条直线。

  数据表明两种技术并不完全一样,同时展示了不同器件的设计与特性。

  ● MEMS器件的低Q值导致更严重的频率偏差。

  ● MEMS器件显示了每百万分之几的阶跃变化。这是校正谐振器温度变化的温度补偿电路的特性。该特性可列成PLL电路中的数字变化表从而校正频率。

  ● MEMS1与MEMS2的设计(两个不同制造商)在数字补偿切换频率上完全不同。

  ● BAW晶体谐振器更稳定,从而具有更高的谐振器Q值,且没有数字校正信号。

  该研究采用已有测量技术对商用BAW与MEMS振荡器的多种不同电特性进行了比较,在此基础上进行了部分讨论,并在表2中做了相应总结。结果表明,两种技术是不可互换的。频率偏差、MEMS振荡器的低Q值与数字温度补偿都造成了许多应用中不可接受的频率波动。

  过去尝试以数字方式实现BAW振荡器的温度补偿在市场上没有成功,原因在于补偿阶跃,尽管事实上它比MEMS振荡器中采用的步长明显小很多。例如,目前手机的温度补偿晶体振荡器(TCXO)均采用模拟补偿。

  MEMS振荡器看起来非常适用于高振动环境、对定时要求不高的应用以及信噪比要求不高的应用。而具有复合调制方案、非常高速的通信或需要极佳的信噪比性能的应用(如A/D转换器)仍将继续通过BAW器件定时,利用石英的高Q值以及极佳的温度稳定性。

关键字:MEMS  振荡器  石英技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1121/article_21001.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
MEMS
振荡器
石英技术

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved