MEMS振蕩器與石英技術(shù)

從簡單的精度約30 000ppm的RC振蕩器，到精度優(yōu)于0.001ppb的原子鐘，有很多滿足不同應(yīng)用要求的時鐘選項。多年以來，體聲波(BAW)晶體振蕩器可用以滿足大多數(shù)要求，它提供的精度在10ppm范圍內(nèi)。精度低一些的選擇，如SAW振蕩器、陶瓷振蕩器以及IC振蕩器，它們各自具有其滿足特定需求的優(yōu)勢。

長期以來，石英基器件被作為大多數(shù)其他定時器件用來比較的標(biāo)準(zhǔn)。石英作為頻率選擇與定時器件的穩(wěn)定、可控的高質(zhì)量材料的歷史得到了廣泛認(rèn)可，并且頻率溫度響應(yīng)、老化率以及抖動與相位噪聲特性也在業(yè)界被詳盡記載。

圖1 相位噪聲圖

與基于MEMS的振蕩器相關(guān)的最新介紹常常伴有一些論斷，認(rèn)為該技術(shù)可提供更低的成本、更短的設(shè)計與生產(chǎn)周期、卓越的沖擊與振動性能以及更為出色的信號質(zhì)量，從而將最終取代石英。除了這些論斷外，已獲得的能夠有助于理解MEMS振蕩器特性的研究極少。本研究力圖提供MEMS振蕩器與傳統(tǒng)基于石英諧振器的振蕩器的直接對比。多年以來，體聲波晶體振蕩器以其10×10-6精度范圍滿足了絕大多數(shù)需求。

研究方法
這里給出的結(jié)果基于典型頻率控制的業(yè)界測量技術(shù)的應(yīng)用，并代表了在2008年進(jìn)行此研究時獲得的商業(yè)化技術(shù)。許多電特性被評估，包括頻率溫度特性、相位噪聲/抖動、短期穩(wěn)定度、啟動時間、電流與長期穩(wěn)定度(老化率)。

上述產(chǎn)品均為CMOS電平輸出，工作在3.0或3.3V，輸出頻率為25～50MHz。測試的BAW石英晶體振蕩器，25MHz時為基諧波模式，50MHz時為三階諧波模式。這里給出的結(jié)果為典型器件的測試值或該型號的多個器件的平均值。

相位噪聲/抖動
這里采用安捷倫（Agilent）5052信號源分析儀測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。該系統(tǒng)測量除有效信號外的其他輸出信號電平，它還是實際主輸出電平的參考。振蕩器在同樣的電容器旁路的帶15pF負(fù)荷的固定設(shè)備中工作，由低噪聲Agilent線性電源供電。

如圖1所示，較高的相位噪聲水平表明MEMS振蕩器技術(shù)并不是一項等效技術(shù)。Agilent測試系統(tǒng)測試結(jié)果表明，當(dāng)前通信與數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用很可能出現(xiàn)抖動的問題。

相位噪聲圖很好地展示了這些采用了不同技術(shù)的器件的設(shè)計與特性。鄰近區(qū)相位噪聲水平(1kHz)主要取決于Q值或諧振器的選擇，石英BAW諧振器的選擇性遠(yuǎn)高于其他MEMS器件。

(a)和MEMS2諧振振蕩器