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更多>>解析傳統(tǒng)的石英振蕩器和全硅振蕩器特性的不同之處
來源:http://m.goapplyonline.com 作者:zhaoxiankh 2014年09月13
石英晶體振蕩器是以石英晶體單元的基波振蕩為波源而構(gòu)成的振蕩器;全硅MEMS振蕩器則以硅諧振單元為波源,并由溫度補(bǔ)償電路及獲取任意頻率的鎖相環(huán)電路構(gòu)成。本次進(jìn)行特性比較的振蕩器基本結(jié)構(gòu)如《圖1》所示。從基本結(jié)構(gòu)可以看出,石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,而全硅MEMS振蕩器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括諧振單元部分、鎖相環(huán)部分及溫度補(bǔ)償部分。受復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響,導(dǎo)致振蕩器在噪音增幅、消耗電流的增加等性能方面出現(xiàn)各種差異。下頁(yè)《表1》表示振蕩器源自結(jié)構(gòu)差異的不同特征。在此,我們通過石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能比較,介紹作為基準(zhǔn)信號(hào)源所需特性。
【石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性比較】
下列項(xiàng)目是用于電子設(shè)備及通信系統(tǒng)設(shè)備的振蕩器應(yīng)具備的性能。通過這些項(xiàng)目的實(shí)際測(cè)試,比較石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能。比較時(shí)使用愛普生制造的“SG-210S*B”石英晶體振蕩器及兩種全硅MEMS振蕩器。
在此須提醒注意的是:這是愛普生晶振公司內(nèi)獨(dú)自實(shí)施的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果并不能保證實(shí)際產(chǎn)品的特性。
比較項(xiàng)目
1)頻率溫度特性 → 溫度變化時(shí)頻率的穩(wěn)定性如何?
2)相位噪音與相位抖動(dòng) → 通信設(shè)備重要要素之一的噪音性能如何?
3)電流消耗 → 消耗的電流量大???
4)起振特性 → 通電后的起振特性與穩(wěn)定性如何?
5)頻率穩(wěn)定度 → 頻率穩(wěn)定性如何?
1)頻率溫度特性
測(cè)試頻率溫度特性時(shí),在-40℃的低溫下頻率穩(wěn)定后,以+2.0℃/分的梯度使溫度連續(xù)上升至+85℃,測(cè)試該溫度段中的頻率,結(jié)果如《圖2》所示。
“SG-210S*B”石英晶體振蕩器的溫度特性呈現(xiàn)AT型晶體特有的連續(xù)性的三次曲線。部分產(chǎn)品亦能夠在較大的溫度范圍內(nèi)保持特性穩(wěn)定,例如帶簡(jiǎn)易溫調(diào)功能的石英晶體振蕩器“SG-211S*E”等。圖中可以看出全硅MEMS振蕩器與石英晶體振蕩器同樣,亦能夠在大溫度范圍內(nèi)保持良好的頻率溫度特性。但是,全硅MEMS振蕩器的硅諧振單元的溫度特性為線性,為保證頻率穩(wěn)定性則需要使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路進(jìn)行精密補(bǔ)償。因此,從《圖3》的放大圖可以看出,分頻比切換時(shí)將產(chǎn)生間斷性的頻率跳動(dòng)(溫度特性曲線中的微小折皺)。如上所示,溫度點(diǎn)的振蕩頻率的不連續(xù)性將引起輸出信號(hào)相位變化,從而對(duì)下文說明的噪音和抖動(dòng)特性造成不良影響。
2)相位噪音與相位抖動(dòng)
《圖4》表示3.3V電源電壓、+25℃條件下的石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的相位噪音特性實(shí)測(cè)結(jié)果。
如《圖4》所示,全硅MEMS振蕩器的相位噪音曲線的一部分變大,這起因于全硅MEMS振蕩器的基本結(jié)構(gòu)(《圖1》)。由于全硅MEMS振蕩器所采用的鎖相環(huán)電路的工作原理是鎖定壓控晶體振蕩器(以下稱為“VCO”)發(fā)出的波源后輸出倍頻,因此這種振蕩器的相位噪音特性受其振蕩電路及鎖相環(huán)電路的兩種因素的影響。通常情況下,全硅MEMS振蕩電路的載波周圍低頻的相位噪音特性不及石英晶體振蕩電路;高頻側(cè)則顯示出VCO的相位噪音特性而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
從《圖4》的全硅MEMS振蕩器②也可以看出,部分全硅MEMS振蕩器具有良好的相位噪音特性。這類產(chǎn)品為減少高頻側(cè)的相位噪音而采用了降低VCO與鎖相環(huán)電路相位噪音的方法。在VCO與鎖相環(huán)電路采取措施降低相位噪音時(shí)通常將使耗電量急劇增大。而且,伴隨耗電量的增大,受分頻比切換的影響而產(chǎn)生的雜散將變得更顯著。
以下《表2》表示相位抖動(dòng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。
根據(jù)SONET/SDH的標(biāo)準(zhǔn),使用相位抖動(dòng)的指標(biāo)之一,從12K至20MHz的相位抖動(dòng)量進(jìn)行比較。
使用鎖相環(huán)電路的振蕩器的頻率倍增數(shù)越大相位噪音特性越差,所產(chǎn)生的雜散對(duì)相位抖動(dòng)造成不良影響。全硅MEMS振蕩器②采用了有效的相位噪音特性改良方法,獲得了很好的相位抖動(dòng)值。但受振蕩器結(jié)構(gòu)的影響,亦未能達(dá)到石英晶體振蕩器的數(shù)值。
無(wú)線通信設(shè)備基于相位調(diào)制技術(shù)進(jìn)行通信,若在無(wú)線通信設(shè)備中使用相位抖動(dòng)特性較差的振蕩器作為基準(zhǔn)信號(hào)源,則無(wú)法在產(chǎn)生噪音時(shí)準(zhǔn)確調(diào)制,不能正確收發(fā)數(shù)據(jù),亦可能導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮通信設(shè)備應(yīng)有功能的惡果。
3)電流消耗
表3》表示3.3V電源電壓、+25℃且負(fù)載電容等于10pF的條件下的各振蕩器耗電量實(shí)測(cè)結(jié)果。
石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,耗電量受益于此而最少。
與此相對(duì),受復(fù)雜電路的影響,全硅MEMS振蕩器①的電流消耗為7.1mA;在“相位噪音與相位抖動(dòng)”之項(xiàng)中已說明的具有良好的相位噪音特性的全硅MEMS振蕩器②竟然達(dá)到了31.5mA。由此,需要在相位噪音的改良與維持低耗電量之間做出權(quán)衡,使用振蕩器構(gòu)建設(shè)備系統(tǒng)之際應(yīng)當(dāng)十分注意。
4)起振特性
《圖5》表示以1毫秒為間隔的0至0.5秒時(shí)間段中,在3.3V電源電壓、+25℃的條件下各振蕩器通電后的起振特性。
以頻率偏差在±10×10-6以內(nèi)的穩(wěn)定所用時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)可以得出,石英晶體振蕩器的振蕩頻率在1.5毫秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,而全硅MEMS振蕩器①約需90毫秒,相位抖動(dòng)特性較好的全硅MEMS振蕩器②約需250毫秒。并且,可以觀察到全硅MEMS振蕩器在起動(dòng)之后受其頻率補(bǔ)償方式的影響而產(chǎn)生離散性的頻率抖動(dòng)。
5)頻率穩(wěn)定度
《圖6》表示3.3V電源電壓、+25℃、測(cè)試時(shí)間50秒的條件下的各振蕩器頻率穩(wěn)定度實(shí)測(cè)結(jié)果。
關(guān)于全硅MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度,與第4)項(xiàng)同樣,因鎖相環(huán)電路補(bǔ)償而出現(xiàn)間斷性的頻率跳動(dòng)。尤其是耗電量較少的全硅MEMS振蕩器①,由于信號(hào)強(qiáng)度弱而隨時(shí)產(chǎn)生±0.6×10-6左右的抖動(dòng)。全硅MEMS振蕩器②在這方面有所改善,仍不及石英晶體振蕩器的穩(wěn)定度。長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)的結(jié)果亦表明全硅MEMS振蕩器①的抖動(dòng)持續(xù)不絕。
《表4》匯總了第1)至第5)項(xiàng)的評(píng)估結(jié)果。
以上對(duì)石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性進(jìn)行了比較。從《各產(chǎn)品評(píng)估結(jié)果匯總》可以看出,以石英為波源的振蕩器在所有項(xiàng)目中均顯示出高精度及高穩(wěn)定性,是兼具雙方優(yōu)勢(shì)的電子元器件。
全硅MEMS振蕩器的風(fēng)險(xiǎn)因素較大,可能無(wú)法正確收發(fā)數(shù)據(jù),有可能導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮通信設(shè)備應(yīng)有功能的惡果。與其相比,石英晶體振蕩器的頻率隨溫度變化而呈線形且相對(duì)穩(wěn)定,其相位噪音特性在載波周圍低頻至高頻噪音高頻的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,耗電量小,起動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)越并具有高的頻率穩(wěn)定度。因此,石英晶體振蕩器更適于高速通信系統(tǒng)中作為基準(zhǔn)信號(hào)源使用,可有助于構(gòu)建高可靠性、高穩(wěn)定的系統(tǒng)。
今后,愛普生將充分應(yīng)用石英的高精度、高穩(wěn)定特性,不斷推出具備顧客應(yīng)用系統(tǒng)所需性能的石英晶振產(chǎn)品,回應(yīng)顧客需求。
表1:振蕩器的不同結(jié)構(gòu)所引起的特征差異 | |
振蕩器的結(jié)構(gòu)(種類) | 特征 |
石英晶體(基波)振蕩器 | 利用石英的基波振蕩使電路結(jié)構(gòu)單純簡(jiǎn)潔,耗電量少,并具有優(yōu)越的噪音和抖動(dòng)特性。 |
全硅MEMS振蕩器 | 使用鎖相環(huán)電路便于獲得任意頻率,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成耗電量增大。而且,全硅MEMS振蕩器使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路對(duì)全硅MEMS諧振單元進(jìn)行溫度補(bǔ)償,為此將產(chǎn)生間斷性的頻率跳動(dòng),致使噪音與抖動(dòng)特性變差。 |
下列項(xiàng)目是用于電子設(shè)備及通信系統(tǒng)設(shè)備的振蕩器應(yīng)具備的性能。通過這些項(xiàng)目的實(shí)際測(cè)試,比較石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能。比較時(shí)使用愛普生制造的“SG-210S*B”石英晶體振蕩器及兩種全硅MEMS振蕩器。
在此須提醒注意的是:這是愛普生晶振公司內(nèi)獨(dú)自實(shí)施的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果并不能保證實(shí)際產(chǎn)品的特性。
比較項(xiàng)目
1)頻率溫度特性 → 溫度變化時(shí)頻率的穩(wěn)定性如何?
2)相位噪音與相位抖動(dòng) → 通信設(shè)備重要要素之一的噪音性能如何?
3)電流消耗 → 消耗的電流量大???
4)起振特性 → 通電后的起振特性與穩(wěn)定性如何?
5)頻率穩(wěn)定度 → 頻率穩(wěn)定性如何?
1)頻率溫度特性
測(cè)試頻率溫度特性時(shí),在-40℃的低溫下頻率穩(wěn)定后,以+2.0℃/分的梯度使溫度連續(xù)上升至+85℃,測(cè)試該溫度段中的頻率,結(jié)果如《圖2》所示。
“SG-210S*B”石英晶體振蕩器的溫度特性呈現(xiàn)AT型晶體特有的連續(xù)性的三次曲線。部分產(chǎn)品亦能夠在較大的溫度范圍內(nèi)保持特性穩(wěn)定,例如帶簡(jiǎn)易溫調(diào)功能的石英晶體振蕩器“SG-211S*E”等。圖中可以看出全硅MEMS振蕩器與石英晶體振蕩器同樣,亦能夠在大溫度范圍內(nèi)保持良好的頻率溫度特性。但是,全硅MEMS振蕩器的硅諧振單元的溫度特性為線性,為保證頻率穩(wěn)定性則需要使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路進(jìn)行精密補(bǔ)償。因此,從《圖3》的放大圖可以看出,分頻比切換時(shí)將產(chǎn)生間斷性的頻率跳動(dòng)(溫度特性曲線中的微小折皺)。如上所示,溫度點(diǎn)的振蕩頻率的不連續(xù)性將引起輸出信號(hào)相位變化,從而對(duì)下文說明的噪音和抖動(dòng)特性造成不良影響。
2)相位噪音與相位抖動(dòng)
《圖4》表示3.3V電源電壓、+25℃條件下的石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的相位噪音特性實(shí)測(cè)結(jié)果。
如《圖4》所示,全硅MEMS振蕩器的相位噪音曲線的一部分變大,這起因于全硅MEMS振蕩器的基本結(jié)構(gòu)(《圖1》)。由于全硅MEMS振蕩器所采用的鎖相環(huán)電路的工作原理是鎖定壓控晶體振蕩器(以下稱為“VCO”)發(fā)出的波源后輸出倍頻,因此這種振蕩器的相位噪音特性受其振蕩電路及鎖相環(huán)電路的兩種因素的影響。通常情況下,全硅MEMS振蕩電路的載波周圍低頻的相位噪音特性不及石英晶體振蕩電路;高頻側(cè)則顯示出VCO的相位噪音特性而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
從《圖4》的全硅MEMS振蕩器②也可以看出,部分全硅MEMS振蕩器具有良好的相位噪音特性。這類產(chǎn)品為減少高頻側(cè)的相位噪音而采用了降低VCO與鎖相環(huán)電路相位噪音的方法。在VCO與鎖相環(huán)電路采取措施降低相位噪音時(shí)通常將使耗電量急劇增大。而且,伴隨耗電量的增大,受分頻比切換的影響而產(chǎn)生的雜散將變得更顯著。
以下《表2》表示相位抖動(dòng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。
根據(jù)SONET/SDH的標(biāo)準(zhǔn),使用相位抖動(dòng)的指標(biāo)之一,從12K至20MHz的相位抖動(dòng)量進(jìn)行比較。
使用鎖相環(huán)電路的振蕩器的頻率倍增數(shù)越大相位噪音特性越差,所產(chǎn)生的雜散對(duì)相位抖動(dòng)造成不良影響。全硅MEMS振蕩器②采用了有效的相位噪音特性改良方法,獲得了很好的相位抖動(dòng)值。但受振蕩器結(jié)構(gòu)的影響,亦未能達(dá)到石英晶體振蕩器的數(shù)值。
無(wú)線通信設(shè)備基于相位調(diào)制技術(shù)進(jìn)行通信,若在無(wú)線通信設(shè)備中使用相位抖動(dòng)特性較差的振蕩器作為基準(zhǔn)信號(hào)源,則無(wú)法在產(chǎn)生噪音時(shí)準(zhǔn)確調(diào)制,不能正確收發(fā)數(shù)據(jù),亦可能導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮通信設(shè)備應(yīng)有功能的惡果。
表2:各產(chǎn)品的相位抖動(dòng)測(cè)試結(jié)果 | ||
產(chǎn)品 | 頻率 | 相位抖動(dòng)(偏離頻率:12kHz-20MHz) |
“SG-210S*B” 石英晶體振蕩器 | 25MHz | 0.32ps |
全硅MEMS振蕩器① | 24MHz | 15.2ps |
全硅MEMS振蕩器② | 19.2MHz | 0.76ps |
表3》表示3.3V電源電壓、+25℃且負(fù)載電容等于10pF的條件下的各振蕩器耗電量實(shí)測(cè)結(jié)果。
石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,耗電量受益于此而最少。
與此相對(duì),受復(fù)雜電路的影響,全硅MEMS振蕩器①的電流消耗為7.1mA;在“相位噪音與相位抖動(dòng)”之項(xiàng)中已說明的具有良好的相位噪音特性的全硅MEMS振蕩器②竟然達(dá)到了31.5mA。由此,需要在相位噪音的改良與維持低耗電量之間做出權(quán)衡,使用振蕩器構(gòu)建設(shè)備系統(tǒng)之際應(yīng)當(dāng)十分注意。
表3:各產(chǎn)品的消耗電流測(cè)試結(jié)果 | ||
產(chǎn)品 | 頻率 | 電流消耗 |
“SG-210S*B” 石英晶體振蕩器 | 25MHz | 1.5mA |
全硅MEMS振蕩器① | 25MHz | 7.1mA |
全硅MEMS振蕩器② | 19.2MHz | 31.5mA |
《圖5》表示以1毫秒為間隔的0至0.5秒時(shí)間段中,在3.3V電源電壓、+25℃的條件下各振蕩器通電后的起振特性。
以頻率偏差在±10×10-6以內(nèi)的穩(wěn)定所用時(shí)間進(jìn)行比較時(shí)可以得出,石英晶體振蕩器的振蕩頻率在1.5毫秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,而全硅MEMS振蕩器①約需90毫秒,相位抖動(dòng)特性較好的全硅MEMS振蕩器②約需250毫秒。并且,可以觀察到全硅MEMS振蕩器在起動(dòng)之后受其頻率補(bǔ)償方式的影響而產(chǎn)生離散性的頻率抖動(dòng)。
5)頻率穩(wěn)定度
《圖6》表示3.3V電源電壓、+25℃、測(cè)試時(shí)間50秒的條件下的各振蕩器頻率穩(wěn)定度實(shí)測(cè)結(jié)果。
關(guān)于全硅MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度,與第4)項(xiàng)同樣,因鎖相環(huán)電路補(bǔ)償而出現(xiàn)間斷性的頻率跳動(dòng)。尤其是耗電量較少的全硅MEMS振蕩器①,由于信號(hào)強(qiáng)度弱而隨時(shí)產(chǎn)生±0.6×10-6左右的抖動(dòng)。全硅MEMS振蕩器②在這方面有所改善,仍不及石英晶體振蕩器的穩(wěn)定度。長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)的結(jié)果亦表明全硅MEMS振蕩器①的抖動(dòng)持續(xù)不絕。
《表4》匯總了第1)至第5)項(xiàng)的評(píng)估結(jié)果。
表4:各產(chǎn)品評(píng)估結(jié)果匯總 | |||
評(píng)估項(xiàng)目 | “SG-210S*B”石英晶體振蕩器 | 全硅MEMS振蕩器① | 全硅MEMS振蕩器② |
1)頻率溫度特性 |
○ 三次曲線 (“SG-211S*E”帶簡(jiǎn)易溫調(diào)功能) |
△ 通過精密補(bǔ)償確保穩(wěn)定性,但存在間斷性的頻率跳動(dòng) |
|
2)相位抖動(dòng) |
◎ 0.32ps |
× 15.2ps |
○ 0.76ps |
3)電流消耗 |
◎ 1.5mA |
△ 7.1mA |
× 31.5mA |
4)起振特性 |
◎ 1.5ms以內(nèi) |
× 90ms左右 |
× 250ms左右 |
5)頻率穩(wěn)定度 |
◎ ±0.01×10-6以下的穩(wěn)定度 |
× ±0.6×10-6左右的穩(wěn)定度,但隨時(shí)存在抖動(dòng) |
○ ±0.03×10-6左右的穩(wěn)定度,但隨時(shí)存在抖動(dòng) |
綜合評(píng)估 | ◎ | × | △ |
全硅MEMS振蕩器的風(fēng)險(xiǎn)因素較大,可能無(wú)法正確收發(fā)數(shù)據(jù),有可能導(dǎo)致無(wú)法發(fā)揮通信設(shè)備應(yīng)有功能的惡果。與其相比,石英晶體振蕩器的頻率隨溫度變化而呈線形且相對(duì)穩(wěn)定,其相位噪音特性在載波周圍低頻至高頻噪音高頻的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,耗電量小,起動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)越并具有高的頻率穩(wěn)定度。因此,石英晶體振蕩器更適于高速通信系統(tǒng)中作為基準(zhǔn)信號(hào)源使用,可有助于構(gòu)建高可靠性、高穩(wěn)定的系統(tǒng)。
今后,愛普生將充分應(yīng)用石英的高精度、高穩(wěn)定特性,不斷推出具備顧客應(yīng)用系統(tǒng)所需性能的石英晶振產(chǎn)品,回應(yīng)顧客需求。
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