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MEMS與晶體振蕩器的區別

發布時間：2024-03-04 08:46:58 瀏覽：1971

　　現代電子技術的發展需要準確的頻率控制和定時。電子設備通常依賴于精密的時鐘系統，缺乏精確的振蕩器時鐘將導致電子通信中斷。本文比較了不同應用中最新精密時鐘技術的優勢。

　　時鐘技術的發展歷程

　　石英晶體振蕩器自上世紀20年代推出以來，在電子計時設備中一直扮演重要角色。而自上世紀60年代開始研發并于2005年批量生產的微機電系統(MEMS)諧振器時鐘則是新型振蕩器的代表。

　　如今，MEMS振蕩器在許多大規模、低成本應用中逐漸取代了石英晶體振蕩器。然而，根據設備的具體用途，對于這兩種技術還需進行權衡和考量。

　　權衡：MEMS與石英晶體振蕩器

　　為了更好地理解它們的差異，我們可以看到MEMS振蕩器和石英晶體振蕩器電路框圖的對比。MEMS振蕩器結構更為復雜，包括微機械硅諧振器和一個用于頻率控制的PLL數字電路。

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　　相比之下，石英晶體振蕩器結構簡單，主要依賴高“Q”值的石英晶體諧振器決定頻率。

　　MEMS和石英晶體振蕩器都可以通過溫度補償實現低于1 PPM的穩定性，或者使用烤箱控制達到PPB級別的精度。晶體振蕩器可分為TCXO和OCXO兩種，而類似補償的MEMS則用XO表示。

　　制造商正在大幅提升MEMS性能，例如SiTime利用數字補償技術實現幾乎任意精度的MEMS。

　　下面將討論石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器之間性能權衡的核心問題：

　　相位噪聲和抖動

　　MEMS相較于石英鐘能更好地承受沖擊和振動，因為石英諧振器較大，容易在高沖擊水平下斷裂。

　　MEMS和石英晶體振蕩器的相位噪聲對比見圖4。盡管MEMS在穩定性方面表現出色，且不斷改進相位噪聲和抖動性能，但在靜態相位噪聲、抖動和其他短期穩定性參數上，無法與石英媲美。石英晶體振蕩器的“Q”電平更高，減少相位噪聲和抖動，在一些關鍵應用中仍占主導地位。

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　　此外，MEMS提升相位噪聲和抖動性能常伴隨著更高功耗。石英振蕩器比MEMS更高效、更可靠，MEMS復雜電路消耗更多功率，可能導致啟動時間延遲。石英鐘還能承受更高輻射劑量，因MEMS鐘包含不耐輻射的PLL。

　　溫度穩定性

　　圖5和圖6闡述了MEMS和石英振蕩器之間頻率與溫度性能的權衡。從圖5可看出，MEMS在頻率與溫度性能上有優勢。

圖片5.png 圖片6.png

　　然而，隨著時間推移，MEMS頻率會出現跳躍，每次分頻比變化以補償溫度變化時。高“Q”值石英晶體具有固有的穩定平滑曲線。

　　MEMS諧振器通過數字校正，可實現幾乎任意穩定性，但消耗更多功耗。每個短周期會有多次微頻跳躍，需數字方式校正至所需穩定水平。由于數字校正引起的抖動，曲線不平滑，有大量小頻率跳躍，導致MEMS鐘的相位噪聲和抖動比石英晶體振蕩器更差。

　　制造和成本

　　與晶體振蕩器相比，MEMS鐘在成本、產量和交貨時間上具有多項優勢。石英晶體振蕩器存在較高的制造成本。

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