硅晶MEMS 0scillator頻率公差與可靠性
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年07月17
長期以來,晶體振蕩器已與模擬振蕩器保持電路結(jié)合使用,該電路驅(qū)動0scillator以特定頻率振動.今天,硅MEMS換能器是另一種選擇,這些器件在嘈雜的環(huán)境中勝過石英晶體.隨著通信速度的提高和移動通信的普及,對雞群來源的需求日益嚴(yán)峻.此外,無論電子設(shè)備是復(fù)雜還是時(shí)鐘頻率很高,時(shí)鐘設(shè)備必須在嘈雜的環(huán)境中繼續(xù)良好運(yùn)行.
本文介紹了使用石英振蕩器和硅MEMS振蕩器進(jìn)行的對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.從這些數(shù)據(jù)可以確定,MEMS振蕩器在真實(shí)的環(huán)境條件下優(yōu)于石英振蕩器.振蕩器制造商為每種產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)表,其中包括頻率穩(wěn)定性,抖動和相位噪聲等性能參數(shù).雖然數(shù)據(jù)表是選擇計(jì)時(shí)設(shè)備時(shí)的一個(gè)很好的指標(biāo),但用戶應(yīng)評估這些設(shè)備在實(shí)際環(huán)境條件下的工作方式.
在模擬實(shí)際操作環(huán)境的條件下進(jìn)行測試可以提供有關(guān)準(zhǔn)確組件性能的有價(jià)值信息.與理想條件下的振蕩器相比,受到環(huán)境壓力因素(如電磁干擾(EMI),振動,電源或其他系統(tǒng)組件噪聲)的振蕩器性能下降.在最壞的情況下,環(huán)境壓力因素會降低設(shè)備可靠性或縮短設(shè)備壽命.選擇定時(shí)器件時(shí),在實(shí)際和惡劣的噪聲條件下考慮振蕩器性能非常重要.
硅MEMS的優(yōu)點(diǎn)
SiTime可編程振蕩器與石英諧振器相比具有幾個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn),以確保它們在不同環(huán)境中工作的能力.SiTime開發(fā)了一種MEM SFirstTM工藝,可在位于硅芯片中的微型真空容器[1]中創(chuàng)建并密封傳感器.微小質(zhì)量振動器與其硬質(zhì)硅晶體結(jié)構(gòu)的組合提高了耐久性,并且對諸如沖擊和振動的外部應(yīng)力的抵抗力變得非常強(qiáng).是的.此外,構(gòu)成振蕩器的最佳設(shè)計(jì)模擬電路在電噪聲條件下表現(xiàn)良好.
圖1中的MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖顯示了由精確調(diào)節(jié)的硅MEMS振蕩器,振蕩保持電路,高精度N分頻鎖相環(huán)(PLL)和全差分電路組成的輸出.它顯示了有助于提高性能和可靠性的重要部件,例如驅(qū)動電路.
圖1.SiTimeMEMS振蕩器架構(gòu)
大部分晶振廠家都是專門從事振蕩器制造的,但不一定是電路設(shè)計(jì)的專家.他們把使用的模擬電路委托給外部,所以不能說是針對特定的振子進(jìn)行了優(yōu)化,反而不得不購買被設(shè)計(jì)為在各種水晶上工作的芯片.相比之下,sitime擁有模擬設(shè)計(jì)者的專業(yè)團(tuán)隊(duì),該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了與sitime的MEMS振蕩器一起使用的所有電路.自2006年以來,該團(tuán)隊(duì)在sitime的振蕩器產(chǎn)品的性能和耐久性上有了戲劇性的提高,其結(jié)果是,在噪聲環(huán)境條件下,sitime的MEMS振蕩器比晶體器件具有更強(qiáng)的耐久性.
運(yùn)行環(huán)境壓力因素
操作環(huán)境中的幾個(gè)因素會降低相位噪聲和抖動,這會對振蕩器性能產(chǎn)生不利影響.本書依次分析了環(huán)境條件對SiTime和競爭廠商制造的振蕩器性能的影響.
電源噪聲
任何系統(tǒng)中的主要噪聲源之一是電源.大多數(shù)噪聲被放置在貼片振蕩器電源輸入端的無源濾波器和去耦電容器拒絕.但是,無法消除的剩余噪聲會增加輸出時(shí)鐘的抖動,并可能對系統(tǒng)中的時(shí)序裕度產(chǎn)生不利影響.這種噪聲不僅在通電時(shí)放大,而且在系統(tǒng)運(yùn)行期間電路板上的其他設(shè)備打開或關(guān)閉時(shí)也會放大.電源濾波和接地反彈等基板問題也會影響噪聲和抖動.
PSRR(電源抑制比)是模擬電路設(shè)計(jì)中使用的參數(shù),用作指示電路對電源噪聲的容差的特定參數(shù).與以dB表示的SNR相關(guān)參數(shù)PSRR不同,噪聲功率條件下的振蕩器性能以電源噪聲靈敏度(PSNS)表示.PSNS通過振蕩器在20kHz至20MHz的指定頻率范圍內(nèi)應(yīng)用峰峰值噪聲時(shí)表現(xiàn)出的相位抖動進(jìn)行量化.
圖2.電源噪聲抑制測試設(shè)置的框圖
圖2所示的以電源及波形發(fā)生器為首的測試設(shè)置是用于評價(jià)晶振的psns性能的測試方法.波形發(fā)生器為了測量電源噪聲對振蕩器抖動的影響,在測量條件的電壓和頻率上加上系統(tǒng)噪聲.圖3的曲線表示在50mv峰值to峰值處提供開關(guān)電源噪聲時(shí)的相位抖動狀態(tài),對于LVCmos輸出用的sitimeMEMS振蕩器,比較了各種晶體振蕩器的比較結(jié)果.
如圖表所示,在所有噪聲頻率下,靜態(tài)MEMS振蕩器的抖動都是最低的.其理由是,sitime的振蕩器電路中裝入了保護(hù)振蕩器不受電源引起的抖動影響的降噪電路.
本文介紹了使用石英振蕩器和硅MEMS振蕩器進(jìn)行的對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.從這些數(shù)據(jù)可以確定,MEMS振蕩器在真實(shí)的環(huán)境條件下優(yōu)于石英振蕩器.振蕩器制造商為每種產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)表,其中包括頻率穩(wěn)定性,抖動和相位噪聲等性能參數(shù).雖然數(shù)據(jù)表是選擇計(jì)時(shí)設(shè)備時(shí)的一個(gè)很好的指標(biāo),但用戶應(yīng)評估這些設(shè)備在實(shí)際環(huán)境條件下的工作方式.
在模擬實(shí)際操作環(huán)境的條件下進(jìn)行測試可以提供有關(guān)準(zhǔn)確組件性能的有價(jià)值信息.與理想條件下的振蕩器相比,受到環(huán)境壓力因素(如電磁干擾(EMI),振動,電源或其他系統(tǒng)組件噪聲)的振蕩器性能下降.在最壞的情況下,環(huán)境壓力因素會降低設(shè)備可靠性或縮短設(shè)備壽命.選擇定時(shí)器件時(shí),在實(shí)際和惡劣的噪聲條件下考慮振蕩器性能非常重要.
硅MEMS的優(yōu)點(diǎn)
SiTime可編程振蕩器與石英諧振器相比具有幾個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn),以確保它們在不同環(huán)境中工作的能力.SiTime開發(fā)了一種MEM SFirstTM工藝,可在位于硅芯片中的微型真空容器[1]中創(chuàng)建并密封傳感器.微小質(zhì)量振動器與其硬質(zhì)硅晶體結(jié)構(gòu)的組合提高了耐久性,并且對諸如沖擊和振動的外部應(yīng)力的抵抗力變得非常強(qiáng).是的.此外,構(gòu)成振蕩器的最佳設(shè)計(jì)模擬電路在電噪聲條件下表現(xiàn)良好.
圖1中的MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖顯示了由精確調(diào)節(jié)的硅MEMS振蕩器,振蕩保持電路,高精度N分頻鎖相環(huán)(PLL)和全差分電路組成的輸出.它顯示了有助于提高性能和可靠性的重要部件,例如驅(qū)動電路.
圖1.SiTimeMEMS振蕩器架構(gòu)
運(yùn)行環(huán)境壓力因素
操作環(huán)境中的幾個(gè)因素會降低相位噪聲和抖動,這會對振蕩器性能產(chǎn)生不利影響.本書依次分析了環(huán)境條件對SiTime和競爭廠商制造的振蕩器性能的影響.
電源噪聲
任何系統(tǒng)中的主要噪聲源之一是電源.大多數(shù)噪聲被放置在貼片振蕩器電源輸入端的無源濾波器和去耦電容器拒絕.但是,無法消除的剩余噪聲會增加輸出時(shí)鐘的抖動,并可能對系統(tǒng)中的時(shí)序裕度產(chǎn)生不利影響.這種噪聲不僅在通電時(shí)放大,而且在系統(tǒng)運(yùn)行期間電路板上的其他設(shè)備打開或關(guān)閉時(shí)也會放大.電源濾波和接地反彈等基板問題也會影響噪聲和抖動.
PSRR(電源抑制比)是模擬電路設(shè)計(jì)中使用的參數(shù),用作指示電路對電源噪聲的容差的特定參數(shù).與以dB表示的SNR相關(guān)參數(shù)PSRR不同,噪聲功率條件下的振蕩器性能以電源噪聲靈敏度(PSNS)表示.PSNS通過振蕩器在20kHz至20MHz的指定頻率范圍內(nèi)應(yīng)用峰峰值噪聲時(shí)表現(xiàn)出的相位抖動進(jìn)行量化.
圖2.電源噪聲抑制測試設(shè)置的框圖
如圖表所示,在所有噪聲頻率下,靜態(tài)MEMS振蕩器的抖動都是最低的.其理由是,sitime的振蕩器電路中裝入了保護(hù)振蕩器不受電源引起的抖動影響的降噪電路.
圖3.SiTime MEMS和Epson SAW振蕩器存在50mV電源噪聲時(shí)的相位抖動,作為電源開關(guān)噪聲頻率的函數(shù)
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