近幾年頻率元件行業(yè)里關于MEMS系列的可編程振蕩器的消息越來越多,甚至有業(yè)內人士說未來MEMS將會替代石英,成為這個晶振行業(yè)的主導,為什么會這么說呢?因為MEMS硅晶振比石英晶體振蕩器有明顯的優(yōu)勢,首先MEMS擁有石英沒有靈活性,可以任意指定一個頻率,再偏的頻點都可以提供,其可靠性和彈性也更有優(yōu)勢,請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的維持電路.現(xiàn)在,有一個替代方案-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.推動高速電信和移動應用的發(fā)展對時鐘源的要求更高.此外,更復雜的電子設備和更高的時鐘頻率需要時鐘設備在嘈雜的環(huán)境中繼續(xù)表現(xiàn)良好.本文展示了在石英和石英上進行的對比實驗的結果硅MEMS振蕩器.數(shù)據表明MEMS振蕩器的性能優(yōu)于石英現(xiàn)實的環(huán)境條件.

振蕩器供應商為每種產品提供數(shù)據表,說明性能參數(shù)作為頻率穩(wěn)定性,抖動和相位噪聲.雖然數(shù)據表是一個很好的指標選擇定時設備時,用戶還必須評估這些設備在現(xiàn)實生活中的表現(xiàn)環(huán)境條件.在模仿真實操作中看到的條件下進行測試環(huán)境提供有關真實組件性能的有價值信息該受到環(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),振動和噪聲與理想條件下的振蕩器相比,它會降低.最終,環(huán)境壓力可能會降低設備的可靠性和壽命.考慮性能很重要在選擇定時裝置時,在逼真,嘈雜,苛刻的條件下振蕩器.

2、硅MEMS優(yōu)勢

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)勢在各種環(huán)境中可靠地運行.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[1].諧振器的非常小的質量的組合和其硬硅晶體結構使它們耐用并且極其耐受外部應力,例如沖擊和振動.此外,振蕩器中優(yōu)化設計的模擬電路可提供高性能電噪聲條件.

圖1中的MEMS振蕩器架構示意圖顯示了關鍵部件有助于提高性能和可靠性,包括精細調諧的硅MEMS諧振器,振蕩器維持電路,高精度分數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)和驅動器帶全差分電路.

圖1.SiTimeMEMS振蕩器架構

大多數(shù)石英振蕩器供應商都是制造諧振器的專家,但不一定是電路設計.他們通常外包模擬電路,必須購買模具設計用于各種晶體,而不是針對特定的晶體進行優(yōu)化諧振器.相比之下,SiTime擁有世界一流的模擬設計師團隊,他們設計了所有的模擬設計師與SiTime的MEMS振蕩器一起使用的電路.自2006年以來,這支球隊取得了成功SiTime振蕩器產品在性能和彈性方面的顯著改進結果是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)境中的幾個因素會對振蕩器性能產生負面影響,降低相位噪聲和抖動.依次拿出每一個,本文將比較它的影響SiTime晶振和SiMS產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,這可能會增加抖動輸出時鐘,可能會對系統(tǒng)時序余量產生負面影響.這種噪音不會被放大僅當電源本身打開時,但電路板上的其他設備打開時或在系統(tǒng)運行期間關閉.板載問題,例如電源過濾或電源不足接地反彈,也會影響噪聲和抖動.電源抑制比(PSRR)是a在模擬電路設計中使用的特定參數(shù),并提供指示電路對電源噪聲的穩(wěn)健程度.與PSRR不同,這是與SNR相關的參數(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按術語量化振蕩器在受到控制的峰值時所表現(xiàn)出的相位抖動在20kHz至20MHz范圍內的特定頻率下的峰值噪聲注入.

圖2.電源噪聲抑制測試設置的框圖

包含電源和波形發(fā)生器的測試設置如圖2所示控制測試方法評估振蕩器的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時的電源噪聲.圖3中的曲線顯示了積分相位抖動電源開關噪聲頻率對50mV峰峰值電源噪聲的影響,將各種石英振蕩器的結果與SiTimeMEMS的結果進行比較用于LVCMOS輸出的石英晶體振蕩器.如圖所示,SiTime的MEMS振蕩器抖動較低跨越所有噪聲頻率.其原因是內置于SiTime的降噪電路振蕩器電路,用于保護振蕩器免受電源引起的抖動.

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

3.2外部EMI噪聲

另一個需要考慮的重要噪聲源是外部產生的EMI噪聲,它會影響噪聲振蕩器性能(與時鐘源發(fā)出的EMI信號相反).功率耗材,電源線,閃電,電腦設備和電子元件都是外部產生EMI的潛在來源,可以通過耦合到系統(tǒng)中輻射.EMI是無源光網絡(PON)等應用中的主要問題,蜂窩基站和許多用于戶外環(huán)境的產品存在電磁源.EMI也是密集電子板中的一個問題多個開關電源,因為振蕩器元件可以靠近這些放置電源.入站EMI可以改變時鐘抖動,在災難性情況下甚至可以改變時鐘設備的工作頻率,對任何系統(tǒng)的功能產生負面影響取決于時鐘信號以獲得可靠的性能.差分晶振相位抖動和相位噪聲增加在存在輸入EMI的情況下,并且嘗試濾除到達振蕩器的噪聲并不總是成功的.另一種方法是設計時鐘設備成功拒絕EMI.電磁敏感性或EMS量化有害EMI對振蕩器等電子電路的影響.

可以按照EMC標準IECEN61000中規(guī)定的程序測量EMS-4.3.該標準規(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％.被測設備位于a校準消聲室并定位,使其與垂直軸線對齊極化天線,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測試的設置

多個石英和SiTimeMEMS振蕩器的數(shù)據說明了EMI對兩者的影響差分和單端振蕩器(圖5和圖6).SiTimeMEMS振蕩器比競爭對手的基于石英和MEMS的振蕩器表現(xiàn)優(yōu)異.這些結果強調理解績效與績效之間關系的重要性操作環(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