MEMS振蕩器與石英技術

從簡單的精度約30 000ppm的RC振蕩器，到精度優于0.001ppb的原子鐘，有很多滿足不同應用要求的時鐘選項。多年以來，體聲波(BAW)晶體振蕩器可用以滿足大多數要求，它提供的精度在10ppm范圍內。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歷史得到了廣泛認可，并且頻率溫度響應、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

與基于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、卓越的沖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需求。

研究方法
這里給出的結果基于典型頻率控制的業界測量技術的應用，并代表了在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。這里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
這里采用安捷倫（Agilent）5052信號源分析儀測試系統進行測量。該系統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振蕩器技術并不是一項等效技術。Agilent測試系統測試結果表明，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)主要取決于Q值或諧振器的選擇，石英BAW諧振器的選擇性遠高于其他MEMS器件。

(a)和MEMS2諧振振蕩器