石英晶體振蕩器與全硅MEMS振蕩器的特性比較

在構建各種電子設備及通信系統設備等過程中，振蕩器作為信號源，其選擇十分重要，將直接影響系統本身的性能。本次對以下兩種振蕩器用于基準信號源時的必要特性進行實際測試，通過性能比較進行說明：

1、石英晶體單元為波源的基波振蕩器；

2、以硅諧振單元為波源且使用鎖相環（ PLL）的全硅 MEMS 振蕩器。

振蕩器的結構及特征

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電路構成。本次進行特性比較的振蕩器基本結構如。從基本結構可以看出，石英晶體振蕩器的結構簡潔， 而全硅MEMS 振蕩器的結構復雜，包括諧振單元部分、鎖相環部分及溫度補償部分。受復雜結構的影響，導致振蕩器在噪音增幅、消耗電流的增加等性能方面出現各種差異。表示振蕩器源自結構差異的不同特征。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。

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備及通信系統設備的振蕩器應具備的性能。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。比較時使用世強代理的愛普生“SG-210S*B”石英晶體振蕩器及兩種全硅 MEMS 振蕩器。 

比較項目

1 ）頻率溫度特性 → 溫度變化時頻率的穩定性如何？

2）相位噪音與相位抖動 → 通信設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℃的低溫下頻率穩定后，以+2.0℃ /分的梯度使溫度連續上升至+85℃，測試該溫度段中的頻率。 

“SG-210S*B”石英晶體振蕩器的溫度特性呈現 AT 型晶體特有的連續性的三次曲線。部分產品亦能夠在較大的溫度范圍內保持特性穩定，例如帶簡易溫調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，為保證頻率穩定性則需要使用小數分頻鎖相環電路進行精密補償。因此，分頻比切換時將產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

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果。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 振蕩器的基本結構（。由于全硅 MEMS 振蕩器所采用的鎖相環電路的工作原理是鎖定壓控振蕩器（以下稱為“VCO”）發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；高頻側則顯示出 VCO 的相位噪音特性而呈現下降趨勢。

從的全硅 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。這類產品為減少高頻側的相位噪音而采用了降低 VCO 與鎖相環電路相位噪音的方法。在 VCO 與鎖相環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生的雜散將變得更顯著。

以下表示相位抖動的實測結果。根據 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。

使用鎖相環電路的振蕩器的頻率倍增數越大相位噪音特性越差，所產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。但受振蕩器結構的影響，亦未能達到石英晶體振蕩器的數值。無線通信設備基于相位調制技術進行通信，若在無線通信設備中使用相位抖動特性較差的振蕩器作為基準信號源，則無法在產生噪音時準確調制，不能正確收發數據，亦可能導致無法發揮通信設備應有功能的惡果。

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果。石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式，結構簡潔，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衡，使用振蕩器構建設備系統之際應當十分注意。

4）起振特性

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 以內的穩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 毫秒以內實現穩定，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生離散性的頻率抖動。

5）頻率穩定度

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定度實測結果。關于全硅 MEMS 振蕩器的頻率穩定度，與第 4）項同樣，因鎖相環電路補償而出現間斷性的頻率跳動。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定度。長時間測試時的結果亦表明全硅 MEMS 振蕩器①的抖動持續不絕。 

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《各產品評估結果匯總》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定性，是兼具雙方優勢的電子元器件。

全硅 MEMS 振蕩器的風險因素較大，可能無法正確收發數據，有可能導致無法發揮通信設備應有功能的惡果。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保持穩定，耗電量小，起動穩定性優越并具有高的頻率穩定度。因此，石英晶體振蕩器更適于高速通信系統中作為基準信號源使用，可有助于構建高可靠性、高穩定的系統。