MEMS与晶体振荡器的区别
发布时间：2024-03-04 08:46:58 浏览：1808
现代电子技术的发展需要准确的频率控制和定时。电子设备通常依赖于精密的时钟系统，缺乏精确的振荡器时钟将导致电子通信中断。本文比较了不同应用中最新精密时钟技术的优势。
时钟技术的发展历程
石英晶体振荡器自上世纪20年代推出以来，在电子计时设备中一直扮演重要角色。而自上世纪60年代开始研发并于2005年批量生产的微机电系统(MEMS)谐振器时钟则是新型振荡器的代表。
如今，MEMS振荡器在许多大规模、低成本应用中逐渐取代了石英晶体振荡器。然而，根据设备的具体用途，对于这两种技术还需进行权衡和考量。
权衡：MEMS与石英晶体振荡器
为了更好地理解它们的差异，我们可以看到MEMS振荡器和石英晶体振荡器电路框图的对比。MEMS振荡器结构更为复杂，包括微机械硅谐振器和一个用于频率控制的PLL数字电路。
相比之下，石英晶体振荡器结构简单，主要依赖高“Q”值的石英晶体谐振器决定频率。
MEMS和石英晶体振荡器都可以通过温度补偿实现低于1 PPM的稳定性，或者使用烤箱控制达到PPB级别的精度。晶体振荡器可分为TCXO和OCXO两种，而类似补偿的MEMS则用XO表示。
制造商正在大幅提升MEMS性能，例如SiTime利用数字补偿技术实现几乎任意精度的MEMS。
下面将讨论石英晶体振荡器和MEMS振荡器之间性能权衡的核心问题：
相位噪声和抖动
MEMS相较于石英钟能更好地承受冲击和振动，因为石英谐振器较大，容易在高冲击水平下断裂。
MEMS和石英晶体振荡器的相位噪声对比见图4。尽管MEMS在稳定性方面表现出色，且不断改进相位噪声和抖动性能，但在静态相位噪声、抖动和其他短期稳定性参数上，无法与石英媲美。石英晶体振荡器的“Q”电平更高，减少相位噪声和抖动，在一些关键应用中仍占主导地位。
此外，MEMS提升相位噪声和抖动性能常伴随着更高功耗。石英振荡器比MEMS更高效、更可靠，MEMS复杂电路消耗更多功率，可能导致启动时间延迟。石英钟还能承受更高辐射剂量，因MEMS钟包含不耐辐射的PLL。
温度稳定性
图5和图6阐述了MEMS和石英振荡器之间频率与温度性能的权衡。从图5可看出，MEMS在频率与温度性能上有优势。
然而，随着时间推移，MEMS频率会出现跳跃，每次分频比变化以补偿温度变化时。高“Q”值石英晶体具有固有的稳定平滑曲线。
MEMS谐振器通过数字校正，可实现几乎任意稳定性，但消耗更多功耗。每个短周期会有多次微频跳跃，需数字方式校正至所需稳定水平。由于数字校正引起的抖动，曲线不平滑，有大量小频率跳跃，导致MEMS钟的相位噪声和抖动比石英晶体振荡器更差。
制造和成本
与晶体振荡器相比，MEMS钟在成本、产量和交货时间上具有多项优势。石英晶体振荡器存在较高的制造成本。
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