Q-TECH新闻稿–MEMS与晶体振荡器

介绍
精确的频率控制和定时对所有现代电子技术都至关重要。你能想象到的几乎每一个电子设备都依赖于精密的时钟；如果没有精确的振荡器时钟所有的电子通信都将停止。
本文比较了最新精密时钟技术在不同应用中的优势。

精密钟表的发展
石英晶体振荡器于20世纪20年代问世，长期以来一直是电子计时设备中的主力军。一种新型振荡器是微机电系统（MEMS）谐振器时钟，自20世纪60年代以来一直在开发中，自2005年以来可批量生产。
如今，MEMS振荡器在许多高容量、低成本的应用中已经在一定程度上取代了晶体振荡器。然而，与技术世界中的许多事情一样，根据设备使用的应用程序，也需要考虑权衡和例外情况。

权衡：MEMS与晶体振荡器
为了更好地理解它们的区别，图1和图2显示了MEMS振荡器和晶体振荡器电路的框图。MEMS振荡器更为复杂。除了微机械硅谐振器外，其数字电路还包括用于确定和控制频率的PLL。
相比之下，晶体振荡器非常简单，在很大程度上依赖于非常高的“Q”石英晶体谐振器作为图3所示的唯一频率决定元件。

MEMS和晶体振荡器都可以通过使用温度补偿来实现小于1PPM的稳定性或使用烘箱控制来实现PPB水平的稳定性而变得更精确。在通常的说法中，利用这些补偿方法的晶体振荡器分别被称为TCXO振荡器和OCXO振荡器。虽然“XO”专门用于晶体振荡器，但这些术语通常用于指代类似补偿的MEMS。
在温度下的绝对频率稳定性方面，制造商正在实现MEMS性能的巨大改进。例如，SiTime正在通过数字补偿技术制造几乎任意精确的MEMS。
下面的讨论触及了石英晶体振荡器和MEMS振荡器之间性能权衡的核心。

相位噪声和抖动
MEMS可以承受更高的冲击水平，并且比石英钟更不容易受到振动灵敏度的影响。由于石英谐振器具有相对较大的质量，它们也可能在非常高的冲击水平下发生断裂。
图4显示了MEMS和石英晶体振荡器的相位噪声比较。虽然MEMS石英晶振可以在稳定性方面变得非常精确，并且在改善相位噪声和抖动性能的同时，它们在静态相位噪声、抖动和其他一些短期稳定性参数方面永远不能像石英那样好。石英晶体振荡器固有的一个好处是它们的“Q”电平高得多，这导致较低的相位噪声和较低的抖动；因此，在这一点很重要的应用中，石英仍然占据主导地位。

此外，MEMS的相位噪声和抖动性能的改善总是以更大的功耗为代价。石英振荡器比MEMS器件更高效、更可靠，MEMS器件的复杂电路消耗更多的功率，并可能导致较慢的启动时间。此外，石英时钟可以承受更高剂量的辐射，因为MEMS时钟包含不耐辐射的锁相环（PLL）。

图4。石英晶体振荡器与两个等效MEMS振荡器的相位噪声比较。
温度稳定性
图5和图6说明了MEMS和石英振荡器之间最重要的权衡背后的原因。图5显示了与可比MEMS器件相比，典型石英振荡器的频率与温度的性能。该图给人的第一印象可能是MEMS振荡器实际上表现出更好的频率与温度的性能。
然而，经过仔细检查，图6显示，随着时间的推移，每当分频比切换以补偿温度变化时，MEMS振荡器都会出现频率跳跃。高“Q”石英晶体提供了固有的稳定和平滑的曲线。

图5。石英晶体与MEMS振荡器频率稳定性的比较。

图6。与晶体不同，MEMS频率稳定性表现出频率跳跃。
MEMS谐振器可以数字校正到几乎任何级别的稳定性，但代价是增加功耗。在每个短期周期中，它总是会有许多微小的频率跳跃，必须通过数字校正回到所需的稳定性水平。因此，曲线并不平滑；由于数字校正引起的抖动，它具有大量的小频率跳跃。如果使用更多的功率，抖动可以减少，但永远不会消除。这就是导致MEMS时钟具有比石英晶体振荡器更差的相位噪声和抖动的原因。

制造和成本
与晶体振荡器相比，MEMS时钟在成本、产量和交付周期方面具有几个优势。因为石英晶体振荡器本质上是“定制的”，MEMS时钟通常生产起来更便宜、更快。此外，使用半导体制造方法以非常大的体积制造MEMS。
因此，不需要石英的良好相位噪声和低抖动优点、可以容忍更高的功耗并且不会暴露于任何辐射的应用，将经常使用便宜得多的MEMS。

结论
这两种技术都在未来占有一席之地。总的来说，MEMS振荡器已经具有非常好的性能，是一项极具价值的技术进步，将继续改进。它们将在大容量、低成本的时钟应用中占据主导地位，尤其是在低相位噪声并不重要的汽车行业。就石英晶体振荡器而言，它们将继续主导太空应用（在太空应用中不可能使用MEMS），以及射频和微波应用、雷达和其他噪声敏感电路。