MEMS振荡器与石英技术

2009年05月15日 22:05    李宽
关键词: MEMS , 石英 , 振荡器
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、老化率以及抖动与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。
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huzhanwei168 发表于 2010-8-31 22:20:46
huzhanwei168 发表于 2010-8-31 22:20:50
huzhanwei168 发表于 2010-8-31 22:21:01
huzhanwei168 发表于 2010-8-31 22:22:33
Rfdesign_2 发表于 2011-11-2 11:09:03
好的
lhxzui 发表于 2014-12-11 11:39:08
谢谢分享。
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