中心議題：

• MEMS振蕩器與石英技術性能對比

解決方案：

• MEMS器件的低Q值導致更嚴重的頻率偏差
• MEMS器件顯示了每百萬分之幾的階躍變化
• BAW晶體諧振器更穩定

從簡單的精度約30000ppm的RC振蕩器，到精度優於0.001ppb的原子鍾，有很多滿足不同應用要求的時鍾選項。多年以來，體聲波(BAW)晶體振蕩器可用以滿足大多數要求，它提供的精度在10ppm範圍內。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勢。

長期以來，石英基器件被作為大多數其他定時器件用來比較的標準。石英作為頻率選擇與定時器件的穩定
、可控的高質量材料的曆史得到了廣泛認可，並且頻率溫度響應、老化率以及抖動與相位噪聲特性也在業界被詳盡記載。

圖1相位噪聲圖

與基於MEMS的振蕩器相關的最新介紹常常伴有一些論斷，認為該技術可提供更低的成本、更短的設計與生產周期
、卓越的衝擊與振動性能以及更為出色的信號質量
，從而將最終取代石英。除了這些論斷外，已獲得的能夠有助於理解MEMS振蕩器特性的研究極少。本研究力圖提供MEMS振蕩器與傳統基於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精度範圍滿足了絕大多數需求。

研究方法

這裏給出的結果基於典型頻率控製的業界測量技術的應用

，並代表了在2008年進行此研究時獲得的商業化技術。許多電特性被評估，包括頻率溫度特性、相位噪聲/抖動、短期穩定度、啟動時間
、電流與長期穩定度(老化率)。


上述產品均為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。這裏給出的結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

這裏采用安捷倫（Agilent）5052信(xin)號(hao)源(yuan)分(fen)析(xi)儀(yi)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。該(gai)係(xi)統(tong)測(ce)量(liang)除(chu)有(you)效(xiao)信(xin)號(hao)外(wai)的(de)其(qi)他(ta)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)電(dian)平(ping)，它(ta)還(hai)是(shi)實(shi)際(ji)主(zhu)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)的(de)參(can)考(kao)。振(zhen)蕩(dang)器(qi)在(zai)同(tong)樣(yang)的(de)電(dian)容(rong)器(qi)旁(pang)路(lu)的(de)帶(dai)15pF負荷的固定設備中工作，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振蕩器技術並不是一項等效技術。Agilent測試係統測試結果表明，當前通信與數據傳輸應用很可能出現抖動的問題。

相位噪聲圖很好地展示了這些采用了不同技術的器件的設計與特性。鄰近區相位噪聲水平(<1kHz)主要取決於Q值或諧振器的選擇，石英BAW諧振器的選擇性遠高於其他MEMS器件。
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(a)和MEMS2諧振振蕩器

(b)的短期穩定度
圖2MEMS1諧振振蕩器

1～100kHz部分反映了設計的相關信息。MEMS振蕩器采用鎖相環(PLL)設計，在該設計中MEMS諧振器由M/N合成環路的VCO鎖相。MEMS振蕩器的相位噪聲水平是PLL環路帶寬、VCO選擇性與主要諧振器的Q值共同影響的結果。石英諧振器器件工作在輸出頻率

，且在輸出端沒有PLL的附加噪聲信號。

相位噪聲可在確定的頻率區間上積分並從頻域轉換至時域
，以提供抖動值的均方根
，如表1所示。這是計算基於石英晶體的諧振器抖動的常規作法，石英晶體的抖動性能通常等於或超過最好的示波器。
短期穩定度

如圖2所示，此處給出的短期穩定度數據是在8分鍾內每隔0.1s測量穩定在25℃（誤差僅零點幾度）的振蕩器的頻率值。各部分均由安捷倫53152頻率計數器測試，該計數器利用銣原子頻率標準參考源進行工作。頻率變化以第一次讀數的百萬分率為單位顯示在圖中。


BAW振蕩器的圖表（此處不再列出，但在完整研究報告中可找到）為大多數人所熟知。對於相同的測試
，典型的BAW振蕩器偏差低於±0.02ppm，這樣會在零偏差圖表線處形成一條直線。

數據表明兩種技術並不完全一樣，同時展示了不同器件的設計與特性。

●MEMS器件的低Q值導致更嚴重的頻率偏差。
●MEMS器件顯示了每百萬分之幾的階躍變化。這是校正諧振器溫度變化的溫度補償電路的特性。該特性可列成PLL電路中的數字變化表從而校正頻率。
●MEMS1與MEMS2的設計(兩個不同製造商)在數字補償切換頻率上完全不同。
●BAW晶體諧振器更穩定，從而具有更高的諧振器Q值，且沒有數字校正信號。

該研究采用已有測量技術對商用BAW與MEMS振蕩器的多種不同電特性進行了比較，在此基礎上進行了部分討論，並在表2中做了相應總結。結果表明

，兩種技術是不可互換的。頻率偏差、MEMS振蕩器的低Q值與數字溫度補償都造成了許多應用中不可接受的頻率波動。

過去嚐試以數字方式實現BAW振蕩器的溫度補償在市場上沒有成功，原因在於補償階躍
，盡管事實上它比MEMS振蕩器中采用的步長明顯小很多。例如，目前手機的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)均采用模擬補償。

MEMS振蕩器看起來非常適用於高振動環境、對定時要求不高的應用以及信噪比要求不高的應用。而具有複合調製方案、非常高速的通信或需要極佳的信噪比性能的應用(如A/D轉換器)仍將繼續通過BAW器件定時

，利用石英的高Q值以及極佳的溫度穩定性。