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.

2、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.

3、环境压力因素

操作环境中的几个因素会对振荡器性能产生负面影响,降低相位噪声和抖动.依次拿出每一个,本文将比较它的影响SiTime和SiMS产生的振荡器性能的环境条件竞争厂商.

3.1电源噪声

任何系统中的一个主要噪声源来自电源.大部分噪音都是通过无源滤波器和放置在电源上的去耦电容滤除输入振荡器.但是,一些噪声仍然存在,这可能会增加抖动输出时钟,可能会对系统时序余量产生负面影响.这种噪音不会被放大仅当电源本身打开时,但电路板上的其他设备打开时或在系统运行期间关闭.板载问题,例如电源过滤或电源不足接地反弹,也会影响噪声和抖动.电源抑制比(PSRR)是a在模拟电路设计中使用的特定参数,并提供指示电路对电源噪声的稳健程度.与PSRR不同,这是与SNR相关的参数以dB表示,在嘈杂的电源条件下振荡器性能如下由电源噪声灵敏度(PSNS)度量表示.PSNS按术语量化振荡器在受到控制的峰值时所表现出的相位抖动在20kHz至20MHz范围内的特定频率下的峰值噪声注入.

图2.电源噪声抑制测试设置的框图

包含电源和波形发生器的测试设置如图2所示控制测试方法评估振荡器的PSNS性能.波形发生器在指定的电压和频率下增加系统噪声,以测量其影响振荡器抖动时的电源噪声.图3中的曲线显示了积分相位抖动电源开关噪声频率对50mV峰峰值电源噪声的影响,将各种石英振荡器的结果与SiTime MEMS的结果进行比较用于LVCMOS输出的振荡器.如图所示,SiTime的MEMS振荡器抖动较低跨越所有噪声频率.其原因是内置于SiTime的降噪电路振荡器电路,用于保护振荡器免受电源引起的抖动.

图3.SiTime MEMS和DSP存在50mV电源噪声时的相位抖动爱普生SAW振荡器作为电源开关噪声频率的函数

3.2外部EMI噪声

另一个需要考虑的重要噪声源是外部产生的EMI噪声,它会影响噪声振荡器性能(与时钟源发出的EMI信号相反).功率耗材,电源线,闪电,电脑设备和电子元件都是外部产生EMI的潜在来源,可以通过耦合到系统中辐射.EMI是无源光网络(PON)等应用中的主要问题,蜂窝基站和许多用于户外环境的产品存在电磁源.EMI也是密集电子板中的一个问题多个开关电源,因为振荡器元件可以靠近这些放置电源.入站EMI可以改变时钟抖动,在灾难性情况下甚至可以改变时钟设备的工作频率,对任何系统的功能产生负面影响取决于时钟信号以获得可靠的性能.相位抖动和相位噪声增加在存在输入EMI的情况下,并且尝试滤除到达振荡器的噪声并不总是成功的.另一种方法是设计时钟设备成功拒绝EMI.电磁敏感性或EMS量化有害EMI对振荡器等电子电路的影响.

可以按照EMC标准IECEN61000中规定的程序测量EMS-4.3.该标准规定了频率上3V/m的辐射电磁(EM)场范围为80MHz至1GHz,增量步长为1％.被测设备位于a校准消声室并定位,使其与垂直轴线对齐极化天线,如图4所示.相位噪声分析仪精度高,低噪声数字信号分析仪捕获振荡器相位噪声.电磁场诱发噪声刺激,并且马刺的平均功率提供了EMS的量度振荡器.

图4.EMS测试的设置

多个石英和SiTime MEMS振荡器的数据说明了EMI对两者的影响差分和单端振荡器(图5和图6).SiTime MEMS振荡器比竞争对手的基于石英和MEMS的振荡器表现优异.这些结果强调理解绩效与绩效之间关系的重要性操作环境.

图5.156.25MHz LVPECL上EMI引起的相位噪声杂散的平均水平差分时钟振荡器

图6.26MHz单端振荡器的EMI引起的相位噪声杂散的平均水平

有关振荡器EMS性能测试条件和实验结果的详细信息,请参阅“MEMS和石英振荡器的电磁敏感性比较”[2].

3.3冲击和振动

许多电子产品在使用过程中受到相当大的振动力.这是特别适用于口袋或背包携带的移动便携式设备.电子产品在移动GPS装置,工业设备或航空航天应用中可能会有更高的水平振动即使是固定的产品也可能会受到附近风扇或其他风扇的振动设备.

由于机械原因,石英晶体振荡器,有源晶振可能对振动具有显着的敏感性使用的组装和包装.SiTime的MEMS FirstTM技术[1]生产MEMS谐振器本质上更能抵抗振动引起的性能下降两个原因.首先,硅谐振器的移动部分的质量比a小得多石英谐振器.这减小了由振动引起的施加到谐振器的力加速.其次,硅MEMS谐振器是非常坚硬的结构,其在平面内振动因此可以抵抗由振动力引起的运动.

振动会通过在同一位置引入电子特征来降低振荡器性能频率作为机械振动,引起频率尖峰或增加相位抖动或宽带噪音.机械力也可能损坏物理谐振器结构.因为有源晶体振荡器的响应取决于外部的方向,严重程度和频率机械力,从几种不同类型的测试结果看最多完整的振荡器弹性图.

第一个测试是通过观察假相来评估对正弦振动的响应在特定频率发生的噪声或噪声杂散.这种相位噪声被转化为a频率调制(FM)噪声并归一化到载波频率为1g振动加速.结果以十亿分之一/克(ppb/g)表示为振动的函数频率.测量设置包括控制器,功率放大器和振荡器.

正弦振动测试包括振动频率范围从15Hz到2kHz的a峰值加速度为4g,代表振荡器所经历的振动力场.振荡器在x,y和z轴上受到振动,报告的结果是观察到的三个方向的噪声响应最高.

图7显示了基于石英晶振,SAW晶体滤波器和MEMS振荡器的差分的振动灵敏度结果振荡器.SiTime MEMS振荡器的性能比其他器件高出10到100倍.

图7.差分XO最大振动灵敏度与4g峰值下的频率加速X,Y或Z轴的正弦振动

第二次振动试验以7.5-rms的加速度产生随机振动,如由MIL-STD883F定义,模拟恶劣的操作环境.结果是报告了在时域中的诱导相位抖动,通过积分计算得到在15Hz至10kHz偏移频率上产生相位噪声.数据(见图8)显示了一个广泛的回应.SiTime MEMS振荡器优于所有其他器件,表明它对随机振动相对不敏感.

图8.随机振动引起的差分振荡器相位抖动

SiTime MEMS振荡器对冲击的影响也不敏感,是第三次抗阻试验机械力.突然的冲击往往会导致振荡器频率的瞬时偏差.SiTime测量了石英晶体振荡器和基于MEMS的振荡器对1ms半正弦波的响应波浪冲击脉冲,加速度为500克.图9中的结果表明虽然大多数器件表现出明显的频率偏差,SiTime MEMS的频率偏离小于1ppm.

图9.差分晶体振荡器对500 g冲击的响应

4、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].