近幾年頻率元件行業(yè)里關(guān)于MEMS系列的可編程振蕩器的消息越來越多,甚至有業(yè)內(nèi)人士說未來MEMS將會(huì)替代石英,成為這個(gè)晶振行業(yè)的主導(dǎo),為什么會(huì)這么說呢?因?yàn)?/span>MEMS硅晶振比石英晶體振蕩器有明顯的優(yōu)勢(shì),首先MEMS擁有石英沒有靈活性,可以任意指定一個(gè)頻率,再偏的頻點(diǎn)都可以提供,其可靠性和彈性也更有優(yōu)勢(shì),請(qǐng)看以下具體的分析和介紹.

歷史上,振蕩器是由連接到模擬的石英晶體諧振器制成的維持諧振器以特定頻率振動(dòng)的維持電路.現(xiàn)在,有一個(gè)替代方案-硅MEMS振蕩器-這些器件的性能優(yōu)于石英振蕩器嘈雜的環(huán)境.推動(dòng)高速電信和移動(dòng)應(yīng)用的發(fā)展對(duì)時(shí)鐘源的要求更高.此外,更復(fù)雜的電子設(shè)備和更高的時(shí)鐘頻率需要時(shí)鐘設(shè)備在嘈雜的環(huán)境中繼續(xù)表現(xiàn)良好.本文展示了在石英和石英上進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果硅MEMS振蕩器.數(shù)據(jù)表明MEMS振蕩器的性能優(yōu)于石英現(xiàn)實(shí)的環(huán)境條件.

振蕩器供應(yīng)商為每種產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)表,說明性能參數(shù)作為頻率穩(wěn)定性,抖動(dòng)和相位噪聲.雖然數(shù)據(jù)表是一個(gè)很好的指標(biāo)選擇定時(shí)設(shè)備時(shí),用戶還必須評(píng)估這些設(shè)備在現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)環(huán)境條件.在模仿真實(shí)操作中看到的條件下進(jìn)行測試環(huán)境提供有關(guān)真實(shí)組件性能的有價(jià)值信息該受到環(huán)境壓力的振蕩器的性能,如電磁來自電源或其他系統(tǒng)組件的干擾(EMI),振動(dòng)和噪聲與理想條件下的振蕩器相比,它會(huì)降低.最終,環(huán)境壓力可能會(huì)降低設(shè)備的可靠性和壽命.考慮性能很重要在選擇定時(shí)裝置時(shí),在逼真,嘈雜,苛刻的條件下振蕩器.

2、硅MEMS優(yōu)勢(shì)

硅MEMS振蕩器與允許它們的有源晶體振蕩器相比具有一些固有的優(yōu)勢(shì)在各種環(huán)境中可靠地運(yùn)行.SiTime開發(fā)了MEMS FirstTM工藝哪些諧振器完全封裝在硅中并封閉在微真空室內(nèi)[1].諧振器的非常小的質(zhì)量的組合和其硬硅晶體結(jié)構(gòu)使它們耐用并且極其耐受外部應(yīng)力,例如沖擊和振動(dòng).此外,振蕩器中優(yōu)化設(shè)計(jì)的模擬電路可提供高性能電噪聲條件.

圖1中的MEMS振蕩器架構(gòu)示意圖顯示了關(guān)鍵部件有助于提高性能和可靠性,包括精細(xì)調(diào)諧的硅MEMS諧振器,振蕩器維持電路,高精度分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)(PLL)和驅(qū)動(dòng)器帶全差分電路.

圖1.SiTimeMEMS振蕩器架構(gòu)

大多數(shù)石英振蕩器供應(yīng)商都是制造諧振器的專家,但不一定是電路設(shè)計(jì).他們通常外包模擬電路,必須購買模具設(shè)計(jì)用于各種晶體,而不是針對(duì)特定的晶體進(jìn)行優(yōu)化諧振器.相比之下,SiTime擁有世界一流的模擬設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì),他們?cè)O(shè)計(jì)了所有的模擬設(shè)計(jì)師與SiTime的MEMS振蕩器一起使用的電路.自2006年以來,這支球隊(duì)取得了成功SiTime振蕩器產(chǎn)品在性能和彈性方面的顯著改進(jìn)結(jié)果是SiTime的MEMS振蕩器比嘈雜的石英器件更具彈性環(huán)境條件.

3、環(huán)境壓力因素

操作環(huán)境中的幾個(gè)因素會(huì)對(duì)振蕩器性能產(chǎn)生負(fù)面影響,降低相位噪聲和抖動(dòng).依次拿出每一個(gè),本文將比較它的影響SiTime晶振和SiMS產(chǎn)生的振蕩器性能的環(huán)境條件競爭廠商.

3.1電源噪聲

任何系統(tǒng)中的一個(gè)主要噪聲源來自電源.大部分噪音都是通過SAW濾波器和放置在電源上的去耦電容濾除輸入振蕩器.但是,一些噪聲仍然存在,這可能會(huì)增加抖動(dòng)輸出時(shí)鐘,可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)時(shí)序余量產(chǎn)生負(fù)面影響.這種噪音不會(huì)被放大僅當(dāng)電源本身打開時(shí),但電路板上的其他設(shè)備打開時(shí)或在系統(tǒng)運(yùn)行期間關(guān)閉.板載問題,例如電源過濾或電源不足接地反彈,也會(huì)影響噪聲和抖動(dòng).電源抑制比(PSRR)是a在模擬電路設(shè)計(jì)中使用的特定參數(shù),并提供指示電路對(duì)電源噪聲的穩(wěn)健程度.與PSRR不同,這是與SNR相關(guān)的參數(shù)以dB表示,在嘈雜的電源條件下振蕩器性能如下由電源噪聲靈敏度(PSNS)度量表示.PSNS按術(shù)語量化振蕩器在受到控制的峰值時(shí)所表現(xiàn)出的相位抖動(dòng)在20kHz至20MHz范圍內(nèi)的特定頻率下的峰值噪聲注入.

圖2.電源噪聲抑制測試設(shè)置的框圖

包含電源和波形發(fā)生器的測試設(shè)置如圖2所示控制測試方法評(píng)估振蕩器的PSNS性能.波形發(fā)生器在指定的電壓和頻率下增加系統(tǒng)噪聲,以測量其影響振蕩器抖動(dòng)時(shí)的電源噪聲.圖3中的曲線顯示了積分相位抖動(dòng)電源開關(guān)噪聲頻率對(duì)50mV峰峰值電源噪聲的影響,將各種石英振蕩器的結(jié)果與SiTimeMEMS的結(jié)果進(jìn)行比較用于LVCMOS輸出的石英晶體振蕩器.如圖所示,SiTime的MEMS振蕩器抖動(dòng)較低跨越所有噪聲頻率.其原因是內(nèi)置于SiTime的降噪電路振蕩器電路,用于保護(hù)振蕩器免受電源引起的抖動(dòng).

圖3.SiTimeMEMS和DSP存在50mV電源噪聲時(shí)的相位抖動(dòng)愛普生SAW振蕩器作為電源開關(guān)噪聲頻率的函數(shù)

3.2外部EMI噪聲

另一個(gè)需要考慮的重要噪聲源是外部產(chǎn)生的EMI噪聲,它會(huì)影響噪聲振蕩器性能(與時(shí)鐘源發(fā)出的EMI信號(hào)相反).功率耗材,電源線,閃電,電腦設(shè)備和電子元件都是外部產(chǎn)生EMI的潛在來源,可以通過耦合到系統(tǒng)中輻射.EMI是無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)等應(yīng)用中的主要問題,蜂窩基站和許多用于戶外環(huán)境的產(chǎn)品存在電磁源.EMI也是密集電子板中的一個(gè)問題多個(gè)開關(guān)電源,因?yàn)檎袷幤髟梢钥拷@些放置電源.入站EMI可以改變時(shí)鐘抖動(dòng),在災(zāi)難性情況下甚至可以改變時(shí)鐘設(shè)備的工作頻率,對(duì)任何系統(tǒng)的功能產(chǎn)生負(fù)面影響取決于時(shí)鐘信號(hào)以獲得可靠的性能.差分晶振相位抖動(dòng)和相位噪聲增加在存在輸入EMI的情況下,并且嘗試濾除到達(dá)振蕩器的噪聲并不總是成功的.另一種方法是設(shè)計(jì)時(shí)鐘設(shè)備成功拒絕EMI.電磁敏感性或EMS量化有害EMI對(duì)振蕩器等電子電路的影響.

可以按照EMC標(biāo)準(zhǔn)IECEN61000中規(guī)定的程序測量EMS-4.3.該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了頻率上3V/m的輻射電磁(EM)場范圍為80MHz至1GHz,增量步長為1％.被測設(shè)備位于a校準(zhǔn)消聲室并定位,使其與垂直軸線對(duì)齊極化天線,如圖4所示.相位噪聲分析儀精度高,低噪聲數(shù)字信號(hào)分析儀捕獲振蕩器相位噪聲.電磁場誘發(fā)噪聲刺激,并且馬刺的平均功率提供了EMS的量度晶振.

圖4.EMS測試的設(shè)置

多個(gè)石英和SiTimeMEMS振蕩器的數(shù)據(jù)說明了EMI對(duì)兩者的影響差分和單端振蕩器(圖5和圖6).SiTimeMEMS振蕩器比競爭對(duì)手的基于石英和MEMS的振蕩器表現(xiàn)優(yōu)異.這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)理解績效與績效之間關(guān)系的重要性操作環(huán)境.

圖5.156.25MHzLVPECL上EMI引起的相位噪聲雜散的平均水平差分晶體振蕩器

圖6.26MHz單端振蕩器的EMI引起的相位噪聲雜散的平均水平