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　　現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展需要準(zhǔn)確的頻率控制和定時。電子設(shè)備通常依賴于精密的時鐘系統(tǒng)，缺乏精確的振蕩器時鐘將導(dǎo)致電子通信中斷。本文比較了不同應(yīng)用中最新精密時鐘技術(shù)的優(yōu)勢。

　　時鐘技術(shù)的發(fā)展歷程

　　石英晶體振蕩器自上世紀(jì)20年代推出以來，在電子計時設(shè)備中一直扮演重要角色。而自上世紀(jì)60年代開始研發(fā)并于2005年批量生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器時鐘則是新型振蕩器的代表。

　　如今，MEMS振蕩器在許多大規(guī)模、低成本應(yīng)用中逐漸取代了石英晶體振蕩器。然而，根據(jù)設(shè)備的具體用途，對于這兩種技術(shù)還需進(jìn)行權(quán)衡和考量。

　　權(quán)衡：MEMS與石英晶體振蕩器

　　為了更好地理解它們的差異，我們可以看到MEMS振蕩器和石英晶體振蕩器電路框圖的對比。MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括微機(jī)械硅諧振器和一個用于頻率控制的PLL數(shù)字電路。

　　相比之下，石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，主要依賴高“Q”值的石英晶體諧振器決定頻率。

　　MEMS和石英晶體振蕩器都可以通過溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)低于1 PPM的穩(wěn)定性，或者使用烤箱控制達(dá)到PPB級別的精度。晶體振蕩器可分為TCXO和OCXO兩種，而類似補(bǔ)償?shù)腗EMS則用XO表示。

　　制造商正在大幅提升MEMS性能，例如SiTime利用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾乎任意精度的MEMS。

　　下面將討論石英晶體振蕩器和MEMS振蕩器之間性能權(quán)衡的核心問題：

　　相位噪聲和抖動

　　MEMS相較于石英鐘能更好地承受沖擊和振動，因?yàn)槭⒅C振器較大，容易在高沖擊水平下斷裂。

　　MEMS和石英晶體振蕩器的相位噪聲對比見圖4。盡管MEMS在穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，且不斷改進(jìn)相位噪聲和抖動性能，但在靜態(tài)相位噪聲、抖動和其他短期穩(wěn)定性參數(shù)上，無法與石英媲美。石英晶體振蕩器的“Q”電平更高，減少相位噪聲和抖動，在一些關(guān)鍵應(yīng)用中仍占主導(dǎo)地位。

　　此外，MEMS提升相位噪聲和抖動性能常伴隨著更高功耗。石英振蕩器比MEMS更高效、更可靠，MEMS復(fù)雜電路消耗更多功率，可能導(dǎo)致啟動時間延遲。石英鐘還能承受更高輻射劑量，因MEMS鐘包含不耐輻射的PLL。

　　溫度穩(wěn)定性

　　圖5和圖6闡述了MEMS和石英振蕩器之間頻率與溫度性能的權(quán)衡。從圖5可看出，MEMS在頻率與溫度性能上有優(yōu)勢。

　　然而，隨著時間推移，MEMS頻率會出現(xiàn)跳躍，每次分頻比變化以補(bǔ)償溫度變化時。高“Q”值石英晶體具有固有的穩(wěn)定平滑曲線。

　　MEMS諧振器通過數(shù)字校正，可實(shí)現(xiàn)幾乎任意穩(wěn)定性，但消耗更多功耗。每個短周期會有多次微頻跳躍，需數(shù)字方式校正至所需穩(wěn)定水平。由于數(shù)字校正引起的抖動，曲線不平滑，有大量小頻率跳躍，導(dǎo)致MEMS鐘的相位噪聲和抖動比石英晶體振蕩器更差。

　　制造和成本

　　與晶體振蕩器相比，MEMS鐘在成本、產(chǎn)量和交貨時間上具有多項優(yōu)勢。石英晶體振蕩器存在較高的制造成本。

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