MEMS振蕩器與石英技術(shù)

從簡(jiǎn)單的精度約30 000ppm的RC振蕩器，到精度優(yōu)于0.001ppb的原子鐘，有很多滿足不同應(yīng)用要求的時(shí)鐘選項(xiàng)。多年以來(lái)，體聲波(BAW)晶體振蕩器可用以滿足大多數(shù)要求，它提供的精度在10ppm范圍內(nèi)。精度低一些的選擇，如SAW振蕩器、陶瓷振蕩器以及IC振蕩器，它們各自具有其滿足特定需求的優(yōu)勢(shì)。

長(zhǎng)期以來(lái)，石英基器件被作為大多數(shù)其他定時(shí)器件用來(lái)比較的標(biāo)準(zhǔn)。石英作為頻率選擇與定時(shí)器件的穩(wěn)定、可控的高質(zhì)量材料的歷史得到了廣泛認(rèn)可，并且頻率溫度響應(yīng)、老化率以及抖動(dòng)與相位噪聲特性也在業(yè)界被詳盡記載。

圖1 相位噪聲圖

與基于MEMS的振蕩器相關(guān)的最新介紹常常伴有一些論斷，認(rèn)為該技術(shù)可提供更低的成本、更短的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期、卓越的沖擊與振動(dòng)性能以及更為出色的信號(hào)質(zhì)量，從而將最終取代石英。除了這些論斷外，已獲得的能夠有助于理解MEMS振蕩器特性的研究極少。本研究力圖提供MEMS振蕩器與傳統(tǒng)基于石英諧振器的振蕩器的直接對(duì)比。多年以來(lái)，體聲波晶體振蕩器以其10×10-6精度范圍滿足了絕大多數(shù)需求。

研究方法
這里給出的結(jié)果基于典型頻率控制的業(yè)界測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，并代表了在2008年進(jìn)行此研究時(shí)獲得的商業(yè)化技術(shù)。許多電特性被評(píng)估，包括頻率溫度特性、相位噪聲/抖動(dòng)、短期穩(wěn)定度、啟動(dòng)時(shí)間、電流與長(zhǎng)期穩(wěn)定度(老化率)。

上述產(chǎn)品均為CMOS電平輸出，工作在3.0或3.3V，輸出頻率為25～50MHz。測(cè)試的BAW石英晶體振蕩器，25MHz時(shí)為基諧波模式，50MHz時(shí)為三階諧波模式。這里給出的結(jié)果為典型器件的測(cè)試值或該型號(hào)的多個(gè)器件的平均值。

相位噪聲/抖動(dòng)
這里采用安捷倫（Agilent）5052信號(hào)源分析儀測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)測(cè)量除有效信號(hào)外的其他輸出信號(hào)電平，它還是實(shí)際主輸出電平的參考。振蕩器在同樣的電容器旁路的帶15pF負(fù)荷的固定設(shè)備中工作，由低噪聲Agilent線性電源供電。

如圖1所示，較高的相位噪聲水平表明MEMS振蕩器技術(shù)并不是一項(xiàng)等效技術(shù)。Agilent測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)前通信與數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用很可能出現(xiàn)抖動(dòng)的問(wèn)題。

相位噪聲圖很好地展示了這些采用了不同技術(shù)的器件的設(shè)計(jì)與特性。鄰近區(qū)相位噪聲水平(<1kHz)主要取決于Q值或諧振器的選擇，石英BAW諧振器的選擇性遠(yuǎn)高于其他MEMS器件。

(a)和MEMS2諧振振蕩器

(b)的短期穩(wěn)定度

圖2 MEMS1諧振振蕩器

1～100kHz部分反映了設(shè)計(jì)的相關(guān)信息。MEMS振蕩器采用鎖相環(huán)(PLL)設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中MEMS諧振器由M/N合成環(huán)路的VCO鎖相。MEMS振蕩器的相位噪聲水平是PLL環(huán)路帶寬、VCO選擇性與主要諧振器的Q值共同影響的結(jié)果。石英諧振器器件工作在輸出頻率，且在輸出端沒(méi)有PLL的附加噪聲信號(hào)。
相位噪聲可在確定的頻率區(qū)間上積分并從頻域轉(zhuǎn)換至?xí)r域，以提供抖動(dòng)值的均方根，如表1所示。這是計(jì)算基于石英晶體的諧振器抖動(dòng)的常規(guī)作法，石英晶體的抖動(dòng)性能通常等于或超過(guò)最好的示波器。

短期穩(wěn)定度
如圖2所示，此處給出的短期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)是在8分鐘內(nèi)每隔0.1s測(cè)量穩(wěn)定在25℃（誤差僅零點(diǎn)幾度）的振蕩器的頻率值。各部分均由安捷倫53152頻率計(jì)數(shù)器測(cè)試，該計(jì)數(shù)器利用銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)參考源進(jìn)行工作。頻率變化以第一次讀數(shù)的百萬(wàn)分率為單位顯示在圖中。

BAW振蕩器的圖表（此處不再列出，但在完整研究報(bào)告中可找到）為大多數(shù)人所熟知。對(duì)于相同的測(cè)試，典型的BAW振蕩器偏差低于±0.02ppm，這樣會(huì)在零偏差圖表線處形成一條直線。

數(shù)據(jù)表明兩種技術(shù)并不完全一樣，同時(shí)展示了不同器件的設(shè)計(jì)與特性。
● MEMS器件的低Q值導(dǎo)致更嚴(yán)重的頻率偏差。
● MEMS器件顯示了每百萬(wàn)分之幾的階躍變化。這是校正諧振器溫度變化的溫度補(bǔ)償電路的特性。該特性可列成PLL電路中的數(shù)字變化表從而校正頻率。
● MEMS1與MEMS2的設(shè)計(jì)(兩個(gè)不同制造商)在數(shù)字補(bǔ)償切換頻率上完全不同。
● BAW晶體諧振器更穩(wěn)定，從而具有更高的諧振器Q值，且沒(méi)有數(shù)字校正信號(hào)。
該研究采用已有測(cè)量技術(shù)對(duì)商用BAW與MEMS振蕩器的多種不同電特性進(jìn)行了比較，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分討論，并在表2中做了相應(yīng)總結(jié)。結(jié)果表明，兩種技術(shù)是不可互換的。頻率偏差、MEMS振蕩器的低Q值與數(shù)字溫度補(bǔ)償都造成了許多應(yīng)用中不可接受的頻率波動(dòng)。

過(guò)去嘗試以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)BAW振蕩器的溫度補(bǔ)償在市場(chǎng)上沒(méi)有成功，原因在于補(bǔ)償階躍，盡管事實(shí)上它比MEMS振蕩器中采用的步長(zhǎng)明顯小很多。例如，目前手機(jī)的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)均采用模擬補(bǔ)償。
MEMS振蕩器看起來(lái)非常適用于高振動(dòng)環(huán)境、對(duì)定時(shí)要求不高的應(yīng)用以及信噪比要求不高的應(yīng)用。而具有復(fù)合調(diào)制方案、非常高速的通信或需要極佳的信噪比性能的應(yīng)用(如A/D轉(zhuǎn)換器)仍將繼續(xù)通過(guò)BAW器件定時(shí)，利用石英的高Q值以及極佳的溫度穩(wěn)定性。