MEMS振荡器优于传统晶体振荡器的优异性能介绍

历史上,振荡器是由连接到模拟的石英晶体谐振器制成的维持谐振器以特定频率振动的维持电路.现在,有一个替代方案-硅MEMS振荡器-这些器件的性能优于石英晶体振荡器嘈杂的环境.推动高速电信和移动应用的发展对时钟源的要求更高.此外,更复杂的电子设备和更高的时钟频率需要时钟设备在嘈杂的环境中继续表现良好.本文展示了在石英和石英上进行的对比实验的结果硅MEMS振荡器.数据表明MEMS振荡器的性能优于石英现实的环境条件.

振荡器供应商为每种产品提供数据表,说明性能参数作为频率稳定性,抖动和相位噪声.虽然数据表是一个很好的指标选择定时设备时,用户还必须评估这些设备在现实生活中的表现环境条件.在模仿真实操作中看到的条件下进行测试环境提供有关真实组件性能的有价值信息该受到环境压力的振荡器的性能,如电磁来自电源或其他系统组件的干扰(EMI),振动和噪声与理想条件下的振荡器相比,它会降低.最终,环境压力可能会降低设备的可靠性和寿命.考虑性能很重要在选择定时装置时,在逼真,嘈杂,苛刻的条件下振荡器.

1、硅MEMS优势

硅MEMS振荡器与允许它们的石英振荡器相比具有一些固有的优势在各种环境中可靠地运行.SiTime开发了MEMS FirstTM工艺哪些谐振器完全封装在硅中并封闭在微真空室内[1].谐振器的非常小的质量的组合和其硬硅晶体结构使它们耐用并且极其耐受外部应力,例如冲击和振动.此外,振荡器中优化设计的模拟电路可提供高性能电噪声条件.

图1中的MEMS振荡器架构示意图显示了关键部件有助于提高性能和可靠性,包括精细调谐的硅MEMS谐振器,振荡器维持电路,高精度分数N锁相环(PLL)和驱动器带全差分电路.

图1.SiTimeMEMS振荡器架构

大多数石英晶体振荡器供应商都是制造谐振器的专家,但不一定是电路设计.他们通常外包模拟电路,必须购买模具设计用于各种晶体,而不是针对特定的晶体进行优化谐振器.相比之下,SiTime拥有世界一流的模拟设计师团队,他们设计了所有的模拟设计师与SiTime的MEMS振荡器一起使用的电路.自2006年以来,这支球队取得了成功SiTime振荡器产品在性能和弹性方面的显着改进结果是SiTime的MEMS振荡器比嘈杂的石英器件更具弹性环境条件.

2、可靠性

量化组件可靠性的一种方法是预测平均时间失败(MTBF).对于半导体元件,这与时间故障(FIT)相反速率,表示为在10亿个工作小时后统计预期的故障数.MTBF越高,设备的预期寿命越长,因此越多设备可靠.较低的FIT率值表明预期故障数量较少且较高可靠性.

SiTime通过使振荡器在高温和高温下进行压力测试来计算FIT电压持续很长一段时间.强调数千个振荡器累计测试时间超过200万个设备小时,因此没有失败.基于这些结果,SiTime的MEMS振荡器的计算可靠率小于1FIT,对应于aMTBF为1000万小时.有关计算FIT率和MTBF的方法的详细信息,请参阅“SiTime振荡器的可靠性计算”[4].

图2包括来自不同制造商的有源晶振,晶体振荡器报告的MTBF,显示了这一点SiTime的基于MEMS的振荡器比石英晶体振荡器更可靠.

图2.基于石英和半导体的振荡器在MTBF方面的可靠性

3、总结

在真实条件下考虑振荡器性能是非常重要的了解设备功能.实际操作条件通常包括存在电源噪声,外部EMI,振动和冲击.在这些条件下进行测试与竞争石英相比,它展示了SiTime MEMS振荡器的优势和基于半导体的器件.SiTime Crystal在所有四个类别中都优于竞争对手考虑.

电源噪声：比石英高出7倍

易受EMI噪声影响：比竞争对手高出50倍

振动：比石英高出40倍

可靠性：比石英高出80倍

诸如外部噪声和振动源之类的环境压力会对其产生不利影响时钟设备的弹性,性能和可靠性.硅MEMS振荡器SiTime晶振生产的产品在面对典型的环境条件下具有弹性极具挑战性,保持相位噪声和抖动规格,并展示长期在各种操作环境中的术语可靠性.