1 简介

振荡器历来由石英晶体谐振器制成，该谐振器连接到模拟维持电路，驱动谐振器以特定频率振动。现在，有一种替代方案——硅 MEMS 振荡器——这些设备在嘈杂环境中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继续保持良好的性能。本文展示了在石英和硅 MEMS 振荡器上进行的对比实验结果。数据表明，MEMS 振荡器在现实环境条件下的性能优于石英。

振荡器供应商提供每种产品的数据表，说明频率稳定性、抖动和相位噪声等性能参数。虽然数据表是选择计时器件的良好指标，但用户还必须评估这些器件在实际环境条件下的性能。在模拟真实操作环境中的条件下进行测试可提供有关真实组件性能的宝贵信息。与理想条件下的振荡器相比，受到环境压力因素（例如电磁干扰 (EMI)、振动和来自电源或其他系统组件的噪声）影响的振荡器的性能会下降。最终，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，重要的是要考虑振荡器在现实、嘈杂、恶劣的条件下的性能。

2 MEMS振荡器优势

MEMS 振荡器与石英振荡器相比具有一些固有的优势，使其能够在各种环境中可靠地运行。 SiTime 开发了 MEMSFirstTM 工艺，其中谐振器完全封装在硅中并封闭在微真空室中。谐振器的质量非常小，加上其坚硬的硅晶体结构，使其经久耐用，并且对冲击和振动等外部应力具有极强的抵抗力。此外，振荡器中经过优化设计的模拟电路可在电噪声条件下提供高性能。

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组件，包括微调硅 MEMS 谐振器、振荡器维持电路、高精度分数 N 锁相环 (PLL) 和具有全差分电路的驱动器。

图 1. SiTime MEMS 振荡器架构

大多数石英振荡器供应商都是制造谐振器的专家，但不一定是电路设计方面的专家。他们通常外包模拟电路，并且必须购买设计用于与各种晶体配合使用的芯片，而不是针对特定谐振器进行优化。相比之下，SiTime 拥有世界一流的模拟设计师团队，他们设计与 SiTime MEMS 振荡器一起使用的所有电路。自 2006 年以来，该团队在 SiTime 振荡器产品的性能和弹性方面取得了显着改进，结果是 SiTime 的 MEMS 振荡器在嘈杂的环境条件下比石英设备更具弹性。

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对 SiTime 和竞争制造商生产的振荡器性能的影响。

3.1 电源噪声

任何系统中的一个主要噪声源来自电源。大多数噪声被放置在振荡器电源输入端的无源滤波器和去耦电容器滤除。但是，仍然存在一些噪声，这可能会增加输出时钟的抖动，并对系统时序裕度产生负面影响。这种噪声不仅在电源本身打开时被放大，而且在系统运行期间板上的其他设备打开或关闭时也会被放大。板载问题，例如电源滤波不足或接地反弹，也会影响噪声和抖动。电源抑制比 (PSRR) 是模拟电路设计中使用的特定参数，可指示电路对电源噪声的稳健程度。与以 dB 表示的 SNR 相关参数 PSRR 不同，噪声电源条件下的振荡器性能由电源噪声灵敏度 (PSNS) 指标表示。 PSNS 是根据振荡器在 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. 电源噪声抑制测试设置框图

包括电源和波形发生器的测试装置，如图 2 所示，是一种评估振荡器 PSNS 性能的受控测试方法。波形发生器以指定的电压和频率添加系统噪声，以测量电源噪声对振荡器抖动的影响。图 3 中的图显示了集成相位抖动作为 50 mV 峰峰值电源噪声的电源开关噪声频率的函数，比较了各种石英振荡器的结果与用于 LVCMOS 输出的 SiTime MEMS 振荡器的结果。如图所示，SiTime 的 MEMS 振荡器抖动在所有噪声频率范围内都较低。这样做的原因是 SiTime 振荡器电路中内置的降噪电路，以保护振荡器免受电源引起的抖动。

图 3. SiTime MEMS 和 Epson SAW 振荡器在存在 50 mV 电源噪声时的相位抖动与电源开关噪声频率的函数关系

3.2 外部 EMI 噪声

另一个需要考虑的重要噪声源是影响振荡器性能的外部产生的 EMI 噪声（与时钟源发出的 EMI 信号相反）。电源、电源线、雷电、计算机设备和电子元件都是外部产生 EMI 的潜在来源，它们可以通过辐射耦合到系统中。 EMI 是无源光网络 (PON)、蜂窝基站和许多在存在大型电磁源的室外环境中使用的产品等应用中的主要问题。 EMI 也是具有多个开关电源的密集电子板的一个问题，因为振荡器组件可以放置在这些电源附近。入站 EMI 会改变时钟抖动，在灾难性的情况下，甚至会改变时钟设备的工作频率，从而对依赖时钟信号以获得可靠性能的任何系统的功能产生负面影响。存在传入 EMI 时，相位抖动和相位噪声会显着增加，并且尝试滤除到达振荡器的噪声并不总是成功。另一种方法是设计能够成功抑制 EMI 的时钟器件。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 中规定的程序进行测量。该标准规定了 3V/m 的辐射电磁 (EM) 场，频率范围为 80 MHz 至 1 GHz，增量步长为 1%。被测设备位于经过校准的消声室中，并使其与垂直极化天线的轴对齐，如图 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。电磁场会引起噪声杂散，杂散的平均功率提供了振荡器 EMS 的度量。

图 4. EMS 测试的设置

多个石英和 SiTime MEMS 振荡器的数据说明了 EMI 对差分和单端振荡器的影响（图 5 和 6）。 SiTime MEMS 振荡器的性能明显优于竞争对手的基于石英和 MEMS 的振荡器。这些结果强调了理解性能和操作环境之间关系的重要性。

图 5. 156.25MHz LVPECL 差分时钟振荡器上 EMI 引起的相位噪声杂散的平均水平

图 6. 26 MHz 单端振荡器上 EMI 引起的相位噪声杂散的平均水平

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力。对于放在口袋或背包中随身携带的移动便携式设备尤其如此。移动 GPS 装置、工业设备或航空航天应用中的电子设备可能会承受更高级别的振动。即使是固定产品也可能会受到附近风扇或其他设备的振动。

由于使用的机械组装和封装，石英振荡器可能对振动表现出显着的敏感性。 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，原因有两个。首先，硅谐振器的移动部分的质量比石英谐振器小得多。这减少了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。其次， MEMS 谐振器是非常坚硬的结构，可以在平面内振动，因此可以抵抗由振动力引起的移动。

振动会产生与机械振动相同频率的电信号，从而降低振荡器性能，从而导致频率尖峰或相位抖动或宽带噪声增加。机械力也可能损坏物理谐振器结构。由于振荡器响应取决于外部机械力的方向、严重程度和频率，因此查看几种不同类型测试的结果可以最全面地了解振荡器的弹性。

第一项测试是通过观察出现在特定频率的寄生相位噪声或噪声杂散来评估对正弦振动的响应。该相位噪声被转换为调频 (FM) 噪声，并归一化为 1g 振动加速度的载波频率。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。

正弦振动测试包括 15 Hz 至 2 kHz 的振动频率，峰值加速度为 4g，代表振荡器在现场会经历的振动力。振荡器在 x、y 和 z 轴上受到振动，报告的结果是三个方向上观察到的最高噪声响应。

图 7 显示了基于石英、SAW 和 MEMS 的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分 XO 最大振动灵敏度与频率

第二个振动测试以 7.5-g rms 的加速度产生随机振动，如 MIL-STD 883F 所定义，模拟恶劣的操作环境。结果以时域中感应相位抖动的形式报告，通过对 15 Hz 至 10 kHz 偏移频率范围内的感应相位噪声进行积分计算。数据（见图 8）显示了广泛的响应。 SiTime MEMS 振荡器的性能优于所有其他设备，表明它相对不受随机振动的影响。

图 8. 随机振动引起的差分振荡器相位抖动

SiTime MEMS 振荡器也对冲击不敏感，这是对机械力抵抗的第三项测试。突然的冲击往往会导致振荡器频率的瞬态偏差。 SiTime 测量了基于石英和 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 中的结果表明，虽然大多数设备表现出显着的频率偏差，但 SiTime MEMS 的频率偏差小于 1 ppm。

图 9. 差分振荡器对 500-g 冲击的响应

4 总结

为了真正了解设备功能，考虑现实条件下的振荡器性能非常重要。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

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