MEMS振荡器与石英技术

从简单的精度约30 000ppm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)。

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。