MEMS or 石英晶体？一切尽在应用中

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精确的频率控制和定时对所有现代电子技术都是必不可少的。

阅读本文你将了解到以下内容：

• 精密时钟的演变。

• MEMS 与晶体振荡器之间的权衡。

• 涉及的制造和成本问题。

您能想象到的几乎所有电子设备都依赖于精密时钟。没有精密振荡器时钟，所有电子通信都会停止。本文比较了最新精密时钟技术在不同应用中的各自优势。

石英晶体振荡器于 1920 年代推出，长期以来一直是电子设备中的主力军。相对来说微机电系统 (MEMS) 谐振器时钟是一种较新的振荡器技术，它从20世纪60年代开始开发，并在2005 年开始量产。

如今，MEMS 振荡器在许多大批量、低成本应用中已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，必须根据使用该设备的应用来考虑权衡使用的情况。

权衡：MEMS 与晶体振荡器

图 1a和1b显示了 MEMS 振荡器和晶体振荡器电路的框图。MEMS 振荡器更复杂。除了微机械硅谐振器外，其数字电路还包括一个锁相环 (PLL) 来确定和控制频率。

1. MEMS振荡器和晶体振荡器电路框图显示了解决方案之间的差异。

相比之下，晶体振荡器非常简单，并且在很大程度上依赖于非常高的Q值石英晶体谐振器作为唯一的频率确定元件，如图1c所示。

MEMS 和晶体振荡器都可以通过使用温度补偿来实现小于 1 ppm 的稳定性或使用恒温控制（oven-control）来实现十亿分之一 (PPB) 级别的稳定性，从而变得更加精确。通常，使用这些补偿方法的晶体振荡器分别称为 TCXO 和 OCXO。虽然“XO”专门用于晶体振荡器，但这些术语也通常用于指代类似补偿的MEMS。

当涉及到随温度变化的绝对频率稳定性时，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是任意精度的MEMS。了解石英晶体振荡器和MEMS振荡器之间的性能权衡很重要。

相位噪声和抖动

MEMS 可以承受更高的冲击水平，并且比石英钟更不易受振动敏感性的影响。由于石英谐振器具有相对较大的质量，因此可能会在非常高的冲击水平下发生断裂。

图 2比较了 MEMS 和石英晶体振荡器的相位噪声。虽然 MEMS 可以在稳定性方面做得非常精确，并在相位噪声和抖动性能方面不断提高，但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如石英。

2. 石英晶体振荡器与两个等效MEMS 振荡器的相位噪声比较。

石英晶体振荡器固有的一个好处是它们的Q值高得多，这会导致较低的相位噪声和较低的抖动。因此，在很重要的应用中，石英仍然占据主导地位。此外，改进的 MEMS 相位噪声和抖动性能总是以更高的功耗为代价的。

石英振荡器比 MEMS 设备更高效、更可靠。MEMS 设备的复杂电路消耗更多功率并可能导致启动时间更慢。此外，因为 MEMS 时钟包含不耐辐射的 PLL，相比而言石英振荡器可以承受更高剂量的辐射。

温度稳定性

图 3和图 4说明了 MEMS 和石英振荡器之间最重要权衡背后的原因。图 3显示了与同类 MEMS 器件相比典型石英振荡器的频率与温度性能。该图的第一印象可能是 MEMS 振荡器实际上表现出更好的频率与温度性能。

3. 该图比较了石英晶体与 MEMS 振荡器的频率稳定性。

然而，经过仔细检查，图 4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 振荡器就会出现频率跳变。高Q值石英晶体具有固有的稳定和平滑曲线。

4. MEMS 频率稳定性表现出与晶体不同的频率跳跃。

MEMS 谐振器可以进行数字校正以达到几乎任何级别的稳定性。然而，这是以增加功耗为代价的。此外，它在每个短周期内始终会有微频率跳跃，必须通过数字方式将其校正回所需的稳定性水平。

MEMS 谐振器曲线不平滑，因为数字校正引起的抖动导致它有大量小的频率跳跃。如果使用更大的功率，可以减少抖动，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。

制造与成本

与晶体振荡器相比，MEMS 时钟在成本、产量和交货时间方面具有多项优势。由于石英晶体振荡器本质上是“定制的”，因此 MEMS 时钟通常更便宜且生产速度更快。

此外，MEMS使用的是半导体制造方法，制造量非常大。因此，不需要石英的良好相位噪声和低抖动优势、可以承受较高功耗且不会暴露于任何辐射的应用通常会使用便宜得多的 MEMS。

结论

这两种技术在未来都有自己的位置。总的来说，MEMS 振荡器已经表现出非常好的性能，代表着一项极具价值的技术进步，并将继续得到改进。它们将在大批量低成本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。

就其本身而言，石英晶体振荡器将继续主导太空应用（使用MEMS是不可能的），以及射频和微波应用、雷达和其他噪声敏感电路。

来源：EETOP编译自electronicdesign

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