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晶體振蕩器與MEMS振蕩器的比較ASE2-27.000MHZ-ET

來源：http://www.techzozo.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(gè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)量了一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)MEMS振蕩器，并比較了每個(gè)振蕩器的四個(gè)參數(shù)：1. 相位噪聲和相位抖動(dòng) 2.功率消耗 3.振蕩器啟動(dòng)特性 4.頻率溫度特性,對(duì)于通信、工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)備的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
1.相位噪聲和相位抖動(dòng)
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(cè)量表明 對(duì)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(cè)相位噪聲如下圖1–6所示



測(cè)試結(jié)果: 所有三個(gè)測(cè)試的晶體振蕩器都比三個(gè)MEMS振蕩器具有更好的抖動(dòng).
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
2.功率消耗
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
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(jiǎn)單的基波振蕩源。
測(cè)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(dòng)。
3. 振蕩器啟動(dòng)特性
40MHz晶體振蕩器和40MHz MEMS振蕩器的振蕩器啟動(dòng)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(dòng)的振蕩器受益于較短的喚醒周期和較長(zhǎng)的電池壽命。這對(duì)于開啟和關(guān)閉系統(tǒng)的消費(fèi)電子和家庭自動(dòng)化應(yīng)用非常重要，快速節(jié)省電池電量。
測(cè)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(cè)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(huì)進(jìn)行調(diào)整，以離散步長(zhǎng)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(shí)的頻率跳變。
溫補(bǔ)振蕩器(TCXO)使用模擬溫度補(bǔ)償 和一個(gè)簡(jiǎn)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(jià)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(dòng)環(huán)境、非嚴(yán)格定時(shí)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(dòng)、極高的Q值和出色的時(shí)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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