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，并由溫度補償電路及獲取任意頻率的鎖相環(huán)電路構(gòu)成。本次進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)簡潔，而全硅MEMS振蕩器的結(jié)構(gòu)復雜，包括諧振單元部分、鎖相環(huán)部分及溫度補償部分。受復雜結(jié)構(gòu)的影響，導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《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，介紹作為基準信號源所需特性。

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)單純簡潔，耗電量少，并具有優(yōu)越的噪音和抖動特性。
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)電路對全硅MEMS諧振單元進行溫度補償，為此將產(chǎn)生間斷性的頻率跳動，致使噪音與抖動特性變差。

【石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性比較】
下列項目是用于電子設(shè)備及通信系統(tǒng)設(shè)備的振蕩器應(yīng)具備的性能。通過這些項目的實際測試，比較石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的性能。比較時使用愛普生制造的“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)獨自實施的測試，測試結(jié)果并不能保證實際產(chǎn)品的特性。
比較項目
1）頻率溫度特性 → 溫度變化時頻率的穩(wěn)定性如何？
2）相位噪音與相位抖動 → 通信設(shè)備重要要素之一的噪音性能如何？
3）電流消耗 → 消耗的電流量大小？
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
測試頻率溫度特性時，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)電路進行精密補償。因此，從《圖3》的放大圖可以看出，分頻比切換時將產(chǎn)生間斷性的頻率跳動（溫度特性曲線中的微小折皺）。如上所示，溫度點的振蕩頻率的不連續(xù)性將引起輸出信號相位變化，從而對下文說明的噪音和抖動特性造成不良影響。

2）相位噪音與相位抖動
《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測結(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。
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》表示相位抖動的實測結(jié)果。
根據(jù)SONET/SDH的標準，使用相位抖動的指標之一，從12K至20MHz的相位抖動量進行比較。
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)生的雜散對相位抖動造成不良影響。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值。但受振蕩器結(jié)構(gòu)的影響，亦未能達到石英晶體振蕩器的數(shù)值。
無線通信設(shè)備基于相位調(diào)制技術(shù)進行通信，若在無線通信設(shè)備中使用相位抖動特性較差的振蕩器作為基準信號源，則無法在產(chǎn)生噪音時準確調(diào)制，不能正確收發(fā)數(shù)據(jù)，亦可能導致無法發(fā)揮通信設(shè)備應(yīng)有功能的惡果。

表2：各產(chǎn)品的相位抖動測試結(jié)果
產(chǎn)品	頻率	相位抖動（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

3）電流消耗
表3》表示3.3V電源電壓、+25℃且負載電容等于10pF的條件下的各振蕩器耗電量實測結(jié)果。
石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式，結(jié)構(gòu)簡潔，耗電量受益于此而最少。
與此相對，受復雜電路的影響，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”之項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)當十分注意。

表3：各產(chǎn)品的消耗電流測試結(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

4）起振特性
《圖5》表示以1毫秒為間隔的0至0.5秒時間段中，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)定所用時間進行比較時可以得出，石英晶體振蕩器的振蕩頻率在1.5毫秒以內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定，而全硅MEMS振蕩器①約需90毫秒，相位抖動特性較好的全硅MEMS振蕩器②約需250毫秒。并且，可以觀察到全硅MEMS振蕩器在起動之后受其頻率補償方式的影響而產(chǎn)生離散性的頻率抖動。

5）頻率穩(wěn)定度
《圖6》表示3.3V電源電壓、+25℃、測試時間50秒的條件下的各振蕩器頻率穩(wěn)定度實測結(jié)果。
關(guān)于全硅MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度，與第4）項同樣，因鎖相環(huán)電路補償而出現(xiàn)間斷性的頻率跳動。尤其是耗電量較少的全硅MEMS振蕩器①，由于信號強度弱而隨時產(chǎn)生±0.6×10-6左右的抖動。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。長時間測試時的結(jié)果亦表明全硅MEMS振蕩器①的抖動持續(xù)不絕。

《表4》匯總了第1）至第5）項的評估結(jié)果。

表4：各產(chǎn)品評估結(jié)果匯總
評估項目	“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”帶簡易溫調(diào)功能）	△ 通過精密補償確保穩(wěn)定性，但存在間斷性的頻率跳動
2）相位抖動	◎ 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，但隨時存在抖動	○ ±0.03×10^-6左右的穩(wěn)定度，但隨時存在抖動
綜合評估	◎	×	△

以上對石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性進行了比較。從《各產(chǎn)品評估結(jié)果匯總》可以看出，以石英為波源的振蕩器在所有項目中均顯示出高精度及高穩(wěn)定性，是兼具雙方優(yōu)勢的電子元器件。
全硅MEMS振蕩器的風險因素較大，可能無法正確收發(fā)數(shù)據(jù)，有可能導致無法發(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)中作為基準信號源使用，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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