1 简介

振荡器一直由石英晶体谐振器制成，与模拟维持电路相连，驱动谐振器以特定频率振动。 现在有一种替代方案——硅 MEMS 在嘈杂的环境中，这些设备的性能优于石英振荡器。 追求更高速度的电信和移动应用对时钟源提出了更高的要求。 此外，更复杂的电子设备和更高的时钟频率要求时钟设备在嘈杂的环境中保持良好的性能。 本文展示了石英和硅 MEMS 比较振荡器上的实验结果。 数据表明，MEMS 在实际环境条件下，振荡器的性能优于石英。

振荡器供应商提供每种产品的数据表，说明频率稳定性、抖动和相位噪声。虽然数据表是选择计时器件的好指标，但用户也必须在实际环境条件下评估这些器件的性能。在模拟真实操作环境的条件下进行测试可以提供真实组件性能的宝贵信息。与理想情况下的振荡器相比，环境压力因素(如电磁干扰) (EMI)、由电源或其他系统组件的振动和噪声影响的振荡器的性能会下降。最后，环境压力因素可能会降低设备的可靠性和使用寿命。在选择计时设备时，在现实、噪音和恶劣条件下考虑振荡器的性能是很重要的。

2 MEMS振荡器优势

MEMS 与石英振荡器相比，振荡器具有一些固有的优点，可以在各种环境中可靠运行。 SiTime 开发了 MEMSFirstTM 谐振器完全包装在硅中，并在微真空室中关闭 。 谐振器的质量很小，结合其坚硬的硅晶体结构，使其耐用，对冲击、振动等外部应力具有很强的抵抗力。 此外，在电噪声条件下，振荡器中设计的模拟电路可以提供高性能。

图 1 中的 MEMS 振荡器架构示意图显示了有助于提高性能和可靠性的关键部件，包括微调硅 MEMS 谐振器、振荡器维护电路、高精度分数 N 锁相环 (PLL) 以及具有全差分电路的驱动器。

图 1. SiTime MEMS 振荡器架构

石英振荡器供应商大多是制造谐振器的专家，但不一定是电路设计专家。 它们通常外包模拟电路，必须购买与各种晶体配合使用的芯片，而不是优化特定的谐振器。 相比之下，SiTime 拥有世界级的模拟设计师团队，他们设计和 SiTime MEMS 所有用于振荡器的电路。 自 2006 多年来，团队一直在 SiTime 振荡器产品的性能和弹性得到了显著提高，结果是 SiTime 的 MEMS 在嘈杂的环境条件下，振荡器比石英设备更有弹性。

3 环境压力

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。 本文将依次比较环境条件 SiTime 影响竞争制造商生产的振荡器性能。

3.1 电源噪声

任何系统中的主要噪声源都来自电源。无源滤波器和去耦电容器滤波器和去耦电容器滤除了大部分噪声。然而，仍然有一些噪音，这可能会增加输出时钟的抖动，并对系统的时序裕度产生负面影响。该噪声不仅在电源本身打开时被放大，而且在系统运行过程中，板上的其他设备也被放大。电源滤波不足或接地反弹等板载问题也会影响噪声和抖动。电源抑制比 (PSRR) 在模拟电路设计中使用的具体参数可以指示电路对电源噪声的稳定性。与以 dB 表示的 SNR 相关参数 PSRR 不同的是，在噪声电源条件下，振荡器的性能取决于电源噪声的灵敏度 (PSNS) 指标表示。 PSNS 根据振荡器 20 kHz 至 20 MHz 范围内的特定频率下受到受控峰峰值噪声注入时所表现出的感应相位抖动来量化的。

图 2. 电源噪声抑制试验框

如图所示，包括电源和波形发生器的测试装置 2 所示是对振荡器的评估 PSNS 性能控制测试方法。 波形发生器以指定的电压和频率增加系统噪声，以测量电源噪声对振荡器抖动的影响。 图 3 图显示集成相位抖动 50 mV 峰值电源噪声的电源开关噪声频率函数比较了各种石英振荡器的结果 LVCMOS 输出的 SiTime MEMS 振荡器的结果。 如图所示，SiTime 的 MEMS 在所有噪声频率范围内，振荡器抖动较低。 原因是 SiTime 振荡器电路荡器免受电源引起的抖动，振荡器电路中内置的降噪电路。

图 3. SiTime MEMS 和 Epson SAW 振荡器存在 50 mV 电源噪声时的相位抖动与电源开关噪声频率系

3.2 外部 EMI 噪声

另一个重要的噪声源是影响振荡器性能的外部产生 EMI 噪声(与时钟源发出的噪声) EMI 信号相反）。外部产生电源、电源线、雷电、计算机设备和电子元件 EMI 它们可以通过辐射耦合到系统中。 EMI 是无源光网络 (PON)、蜂窝基站和许多用于大型电磁源室外环境的产品。 EMI 由于振荡器组件可以放置在这些电源附近，因此密集的电子板也存在多个开关电源的问题。入站 EMI 它会改变时钟抖动，甚至在灾难性情况下改变时钟设备的工作频率，从而对任何依赖时钟信号获得可靠性能的系统的功能产生负面影响。存在传入 EMI 当相位抖动和相位噪声显著增加时，试图过滤到达振荡器的噪声并不总是成功的。另一种方法是成功抑制设计 EMI 时钟器件。电磁敏感性（EMS）量化了 EMI 对振荡器等电子电路的不利影响。

EMS 可以按照 EMC 标准 IEC EN610004.3 测量中规定的程序。 该标准规定 3V/m 的辐射电磁 (EM) 频率范围为场 80 MHz 至 1 GHz，增量步长为 1%。 被测设备位于校准的消声室中，与垂直极化天线的轴对齐，如图所示 4 所示。 相位噪声分析仪和高精度、低噪声数字信号分析仪捕获振荡器相位 噪音。 电磁场会引起噪声分散，分散的平均功率提供振荡器 EMS 的度量。

图 4. EMS 测试的设置

多个石英和 SiTime MEMS 说明了振荡器的数据 EMI 对差异和单端振荡器的影响(图 5 和 6）。 SiTime MEMS 基于石英和 MEMS 的振荡器。 这些结果强调了理解性能与操作环境关系的重要性。

图 5. 156.25MHz LVPECL 振荡器上的差分时钟 EMI 相位噪声分散的平均水平

图 6. 26 MHz 在单端振荡器上 EMI 相位噪声分散的平均水平

3.3 冲击和振动

许多电子产品在使用过程中会受到很大的振动。 特别是在口袋或背包中随身携带的移动便携式设备。 移动 GPS 航空航天应用中的设备、工业设备或电子设备可能承受更高水平的振动。 即使是固定产品也可能受到附近风扇或其他设备的振动。

石英振荡器可能对振动表现出明显的敏感性，因为机械组装和包装。 SiTime 的 MEMS FirstTM 技术 [1] 生产的 MEMS 谐振器本质上更能抵抗振动引起的性能下降，有两个原因。 首先，硅谐振器的质量远小于石英谐振器。 这减少了振动引起的加速度对谐振器施加的力。 其次， MEMS 谐振器是一种非常坚硬的结构，可以在平面上振动，从而抵抗振动力引起的运动。

振动会产生与机械振动频率相同的电信号，从而降低振荡器的性能，频率峰值或相位抖动或宽带噪声增加。 机械力也会损坏物理谐振器结构。 由于振荡器的响应取决于外部机械力的方向、严重程度和频率，因此对振荡器的弹性有最全面的了解。

第一项测试是通过观察寄生相位噪声或噪声杂散出现在特定频率上来评估正弦振动的响应。 相位噪声转换为调频 (FM) 并归一化为噪声 1g 载波频率振动加速。 结果以十亿分之几/g (ppb/g) 作为振动频率的函数表示。 测量装置包括控制器、功率放大器和振动器。

正弦振动试验包括 15 Hz 至 2 kHz 的振动频率，峰值加速度为 4g，代表现场振荡器的振动力。 振荡器在 x、y 和 z 轴振动，报告的结果是三个方向观察到的最高噪声响应。

图 7 基于石英，SAW 和 MEMS 差分振荡器的振动灵敏度结果。 SiTime MEMS 振荡器的性能比其他设备高 10 到 100 倍。

图 7. X、Y 或 Z 轴上 4g 峰值加速度正弦振动下的差异 XO 最大振动灵敏度和频率

第二振动试验 7.5-g rms 加速度产生随机振动，如 MIL-STD 883F 定义，模拟恶劣的操作环境。 结果以时域感应相位抖动的形式报告 15 Hz 至 10 kHz 积分计算偏移频率范围内的感应相位噪声。 数据（见图 8)显示广泛的响应。 SiTime MEMS 振荡器的性能优于所有其他设备，表明其相对不受随机振动的影响。

图 8. 由随机振动引起的差异振荡器相位抖动

SiTime MEMS 振荡器对冲击也不敏感，这是对机械力抵抗的第三次测试。 突然的冲击往往会导致振荡器频率的瞬态偏差。 SiTime 基于石英和测量 MEMS 的振荡器对 500 g 加速度的 1 ms 半正弦波冲击脉冲的响应。 图 9 结果表明，虽然大多数设备表现出明显的频率偏差，但 SiTime MEMS 频率偏差小于 1 ppm。

图 9. 差分振荡器对 500-g 冲击的响应

4 总结

为了真正了解设备的功能，在现实条件下考虑振荡器的性能是非常重要的。实际操作条件通常包括电源噪声、外部 EMI、振动和冲击的存在。 在这些条件下进行的测试证明了 SiTime MEMS 振荡器与竞争的石英和半导体器件相比具有优势。 SiTime 在所考虑的所有四个类别中均优于竞争对手。

• 电源噪声：比石英好 7 倍
• 对 EMI 噪声的敏感性：比石英高 50 倍
• 振动：比石英好 40 倍
• 可靠性：比石英好 80 倍