晶體振蕩器與MEMS振蕩器的比較ASE2-27.000MHZ-ET
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫 2023年06月17
晶體振蕩器與MEMS振蕩器的比較
理論上，為電子設(shè)備和通信系統(tǒng)設(shè)備選擇振蕩器是一個重要的因素 影響系統(tǒng)性能的因素。 在本應(yīng)用筆記中，我們測量并比較了兩種不同類型的振蕩器: 1.基本石英晶體振蕩器， 2.一種MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))振蕩器。
振蕩器的結(jié)構(gòu)和特性
晶體振蕩器由使用基模石英晶體的基本結(jié)構(gòu)和 簡單的振蕩器電路。
相比之下，MEMS振蕩器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括諧振器、小數(shù)N分頻PLL， 以及溫度補(bǔ)償和制造校準(zhǔn)。MEMS振蕩器使用硅 諧振器作為振蕩源，需要PLL電路來校正頻率 制造公差和溫度系數(shù)
晶體振蕩器和MEMS振蕩器的性能比較
我們測量了一個晶體振蕩器和一個MEMS振蕩器，并比較了每個振蕩器的四個參數(shù)：1. 相位噪聲和相位抖動 2.功率消耗 3.振蕩器啟動特性 4.頻率溫度特性,對于通信、工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要。
1.相位噪聲和相位抖動
我們考慮了三種頻率(40MHz、100MHz和156.25 MHz)并比較了晶體振蕩器 到相同頻率的MEMS振蕩器。實(shí)驗(yàn)室測量表明 對于所有頻率，晶體振蕩器的相位噪聲都比MEMS振蕩器好得多。這 兩種類型振蕩器的實(shí)測相位噪聲如下圖1–6所示
測試結(jié)果: 所有三個測試的晶體振蕩器都比三個MEMS振蕩器具有更好的抖動.
2.功率消耗
40MHz晶振和40MHz MEMS振蕩器的功耗如下圖7所示
晶體振蕩器的功耗遠(yuǎn)低 MEMS振蕩器。這是因?yàn)?晶體振蕩器得益于電路結(jié)構(gòu)簡單的基波振蕩源。
測試結(jié)果: MEMS振蕩器增加的電路增加了該設(shè)備的總功耗。MEMS振蕩器的功耗約為15mA，約為晶體振蕩器的5倍，使用增加硅振蕩器、PLL和LC VCO中的電流，以降低抖動。
3. 振蕩器啟動特性
40MHz晶體振蕩器和40MHz MEMS振蕩器的振蕩器啟動特性為如下圖8所示。
理論上，為電子設(shè)備和通信系統(tǒng)設(shè)備選擇振蕩器是一個重要的因素 影響系統(tǒng)性能的因素。 在本應(yīng)用筆記中，我們測量并比較了兩種不同類型的振蕩器: 1.基本石英晶體振蕩器， 2.一種MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))振蕩器。
振蕩器的結(jié)構(gòu)和特性
晶體振蕩器由使用基模石英晶體的基本結(jié)構(gòu)和 簡單的振蕩器電路。
相比之下，MEMS振蕩器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括諧振器、小數(shù)N分頻PLL， 以及溫度補(bǔ)償和制造校準(zhǔn)。MEMS振蕩器使用硅 諧振器作為振蕩源，需要PLL電路來校正頻率 制造公差和溫度系數(shù)
晶體振蕩器和MEMS振蕩器的性能比較
我們測量了一個晶體振蕩器和一個MEMS振蕩器，并比較了每個振蕩器的四個參數(shù)：1. 相位噪聲和相位抖動 2.功率消耗 3.振蕩器啟動特性 4.頻率溫度特性,對于通信、工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)備的設(shè)計至關(guān)重要。
1.相位噪聲和相位抖動
我們考慮了三種頻率(40MHz、100MHz和156.25 MHz)并比較了晶體振蕩器 到相同頻率的MEMS振蕩器。實(shí)驗(yàn)室測量表明 對于所有頻率，晶體振蕩器的相位噪聲都比MEMS振蕩器好得多。這 兩種類型振蕩器的實(shí)測相位噪聲如下圖1–6所示
測試結(jié)果: 所有三個測試的晶體振蕩器都比三個MEMS振蕩器具有更好的抖動.
| MHz | Phase Jitter | |
| MEMS Oscillator | Crystal Oscillator | |
| 40,0 | 5.67ps | 0.19ps |
| 100,0 | 2.61ps | 0.07ps |
| 156,25 | 1.87ps | 0.03ps |
40MHz晶振和40MHz MEMS振蕩器的功耗如下圖7所示
| Vol\ Num | MEMS OSC 40MHz | Crystal OSC 40MHz |
| 2,2 | 13,98 | 2,51 |
| 2,4 | 14,48 | 2,71 |
| 2,6 | 14,79 | 2,85 |
| 2,8 | 15,03 | 3,08 |
| 3,0 | 15,24 | 3,30 |
| 3,2 | 15,45 | 3,45 |
| 3,4 | 15,73 | 3,64 |
| 3,6 | 15,96 | 3,89 |
| 3,8 | 16,09 | 4,05 |
| 4,0 | 16,44 | 4,21 |
| Unit: mA | ||
測試結(jié)果: MEMS振蕩器增加的電路增加了該設(shè)備的總功耗。MEMS振蕩器的功耗約為15mA，約為晶體振蕩器的5倍，使用增加硅振蕩器、PLL和LC VCO中的電流，以降低抖動。
3. 振蕩器啟動特性
40MHz晶體振蕩器和40MHz MEMS振蕩器的振蕩器啟動特性為如下圖8所示。
|
Vol\ Num |
MEMS OSC 40MHz | Crystal OSC 40MHz |
| 2,2 | 40,000,368 | 40,000,188 |
| 2,4 | 40,000,162 | 40,000,183 |
| 2,6 | 40,000,013 | 40,000,181 |
| 2,8 | 39,999,945 | 40,000,167 |
| 3,0 | 39,999,931 | 40,000,154 |
| 3,2 | 39,999,942 | 40,000,148 |
| 3,4 | 39,999,938 | 40,000,138 |
| 3,6 | 39,999,926 | 40,000,123 |
| 3,8 | 39,999,950 | 40,000,117 |
| 4,0 | 39,999,914 | 40,000,110 |
| Unit: MHz |
|
Vol\ Num |
MEMS OSC 40MHz | Crystal OSC 40MHz |
| 2,2 | 9,20 | 4,70 |
| 2,4 | 4,05 | 4,57 |
| 2,6 | 0,31 | 4,52 |
| 2,8 | -1,38 | 4,17 |
| 3,0 | -1,73 | 3,85 |
| 3,2 | -1,45 | 3,70 |
| 3,4 | -1,55 | 3,45 |
| 3,6 | -1,85 | 3,08 |
| 3,8 | -1,25 | 2,93 |
| 4,0 | -2,15 | 2,75 |
| Unit: ppm |
快速啟動的振蕩器受益于較短的喚醒周期和較長的電池壽命。這對于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)的消費(fèi)電子和家庭自動化應(yīng)用非常重要，快速節(jié)省電池電量。
測試結(jié)果: 晶體振蕩器比MEMS振蕩器發(fā)射更快，更穩(wěn)定。
4.頻率溫度特性
40 MHz MEMS振蕩器和晶體振蕩器的頻率溫度特性，通過首先達(dá)到-40℃的穩(wěn)定低溫來測量頻率和125MHz頻率， 然后以+2.0℃/分鐘的速度將溫度升至+85℃。結(jié)果如所示 下圖9–12
石英晶體振蕩器的頻率與溫度的關(guān)系遵循連續(xù)的三次曲線 AT晶體，在-40至+85°c溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)15ppm，這足以滿足大多數(shù)應(yīng)用。
最初，MEMS振蕩器的頻率與溫度特性似乎優(yōu)于晶體振蕩器的那些。然而，MEMS振蕩器的小數(shù)N分頻PLL電路會進(jìn)行調(diào)整，以離散步長校正極高值的頻率(30 ppm/°C或3750ppm，從-40°C到+85°C) 硅諧振器的溫度系數(shù)。
圖9–12中MEMS振蕩器的鋸齒狀溫度曲線說明了這一點(diǎn) 顯示分頻比切換以補(bǔ)償溫度變化時的頻率跳變。
溫補(bǔ)振蕩器(TCXO)使用模擬溫度補(bǔ)償 和一個簡單的溫度補(bǔ)償電路，在-40至+85°C溫度范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)1 ppm的精度 經(jīng)歷這些頻率跳躍。TCXOs價格低廉，可廣泛購買 溫度穩(wěn)定性低至0.1ppm。
| Crystal Oscillator vs. MEMS Oscillator | |||
|
Electrical Characteristics |
Crystal OSC | MEMS OSC | |
| 1. Started oscillating voltage | Started: @0.9Vdc | Started: @2.1Vdc | |
|
2. Voltage vs. Frequency characteristics |
Crystal OSC is better as MEMS OSC (pls, refer to “test data”) |
||
| 3. Voltage vs. Current characteristics | Crystal OSC is better as MEMS OSC (pls, refer to “test data”) | ||
| 4. Temperature | Crystal OSC is better as MEMS OSC (pls, refer to “test data”), that MEMS OSC is jagged in a short time | ||
| 5. Jitter characteristics | 40,0 MhZ: 0.19ps | 40,0MhZ: 5.67ps | |
| 100,0 MhZ: 0.07ps | 100,0MhZ: 2.61ps | ||
| 156.25MhZ: 0.03ps | 156.25MhZ: 1.87ps | ||
| 6. Phase noise | Crystal OSC is better as MEMS OSC (pls, refer to “test data”) | ||
| 7. Shield Effect |
Crystal OSC is better as MEMS OSC (Crystal OSC have metal lid to do shield), Crystal OSC is hermetically sealed, as it has a ceramic housing, MEMS are not hermetically sealed |
||
| 8. Reliability | MEMS OSC is better as Crystal OSC | ||
| 9. ESD |
MM: 400 Vdc HBM: over 4000 Vdc |
n.A. | |
| 10. Vibration |
Freq. range: 10 ~ 2000Hz Peak to peak amplitude 1.5mm Peak value:20g`s Duration time of 3 orientations (X,Y,Z): 4hourse |
n.A. | |
| 11. Shock |
5000g`s 0.3msec, 1/2 sinusoid 12 times for each direction (X,Y,Z) |
Can withstand at least 50,000g shock | |
| 12. High pressure test | 100% been through 5Kg/cm²(5atm)/1.5hrs by Helium pressure and 4.5Kg/cm²/320mins (4.5atm) by Electronic test fluid pressure | n.A. | |
| For availability | large selection available worldwide by many manufacturers | few manufacturers in the world (15% less in 2013) | |
| Lead Time | 7 – 30 days | more readily available | |
| Temperature range | -40 - +125°C | -40 - +125°C | |
| ROHS | yes | yes | |
| Pin Layout | Pin and pin function can might compatible between Crystal OSC and MEMS OSC | ||
結(jié)論：MEMS振蕩器似乎適用于高振動環(huán)境、非嚴(yán)格定時的應(yīng)用以及信噪比不重要的應(yīng)用。具有復(fù)雜調(diào)制方案，超高速通信或以下要求的應(yīng)用，石英晶體振蕩器將利用低抖動、極高的Q值和出色的時間和石英的溫度穩(wěn)定性，繼續(xù)提供出色的信噪比性能(即模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。
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