一、引言 

历史上，振荡器通常由与模拟维持电路连接的石英晶体谐振器组成，该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表现优于石英振荡器。对更高速度的电信和移动应用的需求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环境中继续表现出色。本文展示了对石英晶振和硅MEMS振荡器进行的比较实验的结果。数据表明，在现实环境中，MEMS振荡器的性能优于石英振荡器。

振荡器供应商为每种产品提供数据表，列出了诸如频率稳定性、抖动和相位噪声等性能参数。虽然数据表是选择定时设备的良好指标，但用户还必须评估这些设备在现实环境中的性能。在模拟实际运行环境的条件下进行测试可以提供有关组件真实性能的有价值信息。在受到电磁干扰（EMI）、振动和来自电源或其他系统组件的噪声等环境应力影响时，振荡器的性能将比在理想条件下的振荡器性能下降。最终，环境应力可能会降低设备的可靠性和使用寿命。在选择定时设备时，考虑振荡器在现实、嘈杂、恶劣条件下的性能非常重要。

二、MEMS硅晶振优势

硅MEMS振荡器在各种环境中具有比石英振荡器的一些固有优势，使它们能够可靠地工作。SiTime开发了MEMSFirstTM工艺，其中谐振器完全由硅封装，并被密封在一个微型真空腔内[1]。谐振器的极小质量和坚硬的硅晶体结构使其具有很高的耐用性和对外部应力（如冲击和振动）的极强抵抗力。此外，振荡器中优化设计的模拟电路在电气噪声条件下具有高性能。

图1显示了MEMS振荡器架构的关键组件，这些组件对性能和可靠性有贡献，包括精心调谐的硅MEMS谐振器、振荡器维持电路、高精度分数N相位锁定环(PLL)和带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擅长制造谐振器，但不一定擅长电路设计。他们通常会将模拟电路外包，并必须购买设计用于与多种晶体一起工作的芯片，而不是针对特定谐振器进行优化。相比之下，SiTime拥有一支世界级的模拟设计团队，他们设计所有与SiTime MEMS振荡器一起使用的电路。自2006年以来，该团队已显著提高了SiTime振荡器产品的性能和可靠性，因此在嘈杂的环境条件下，SiTime的MEMS振荡器比石英设备更可靠。

三、环境应力源   

操作环境中的多个因素可能会对振荡器性能产生负面影响，降低相位噪声和抖动。本文将逐一比较环境条件对SiTime和竞争对手生产的振荡器性能的影响。

3.1 电源噪声   

任何系统中的主要噪声源之一来自电源。大多数噪声通过放置在振荡器电源输入端的无源滤波器和去耦电容被滤除。然而，仍有一些噪声残留，这可能会增加输出时钟的抖动，并可能对系统定时裕量产生负面影响。这种噪声不仅在电源本身开启时会被放大，而且在系统运行期间板上的其他设备开启或关闭时也会被放大。例如，板上的电源过滤不足或地弹也会影响噪声和抖动。电源抑制比（PSRR）是用于模拟电路设计的一个特定参数，它指示电路对电源噪声的鲁棒性。与PSRR（一个以分贝为单位的与信噪比相关的参数）不同，在存在噪声电源条件下的振荡器性能由“电源噪声敏感度（PSNS）”指标来表示。PSNS是以特定频率（20 kHz至200 MHz）下，振荡器在受到受控的峰峰噪声注入时所表现出的诱导相位抖动来衡量的。

Figure 2. 电源噪声抑制测试装置方框图

图2为包括电源和波形发生器的测试装置的方框图，这是一种可控的测试方法，用于评估振荡器的PSNS性能。波形发生器在指定的电压和频率下向系统添加噪声，以测量电源噪声对振荡器抖动的影响。

Figure 3. 在50 mV峰峰电源噪声条件下，SiTime MEMS振荡器和爱普生SAW振荡器的相位抖动与电源开关噪声频率的关系

3.2 外部电磁干扰噪声 

另一个需要考虑的重要噪声源是外部产生的电磁干扰噪声，它会影响振荡器的性能（而不是由时钟源发射的电磁干扰信号）。电源、电源线、雷电、计算机设备和电子元件都是可能的外部电磁干扰源，可以通过辐射耦合到系统中。在诸如被动光纤网络（PON）、蜂窝基站以及许多用于存在大型电磁源的室外环境中的产品中，电磁干扰是一个主要问题。在存在多个开关电源的密集电子电路板上，电磁干扰也是一个需要考虑的问题，因为振荡器组件可能靠近这些电源。进入系统的电磁干扰可以改变时钟抖动，在极端情况下甚至改变时钟设备的操作频率，从而对任何依赖时钟信号以实现可靠性能的系统产生负面影响。在存在外来电磁干扰的情况下，相位抖动和相位噪声会显著增加，试图过滤掉到达振荡器的噪声并不总是有效。另一种方法是设计能够有效抵御EMI的时钟器件。电磁敏感性（EMS）量化了EMI对诸如振荡器等电子电路的不利影响。

EMS可以通过遵循EMC标准IEC EN 61000 4.3中规定的程序进行测量。该标准规定了80 MHz至1 GHz频率范围内以1%增量步进的3 V/m辐射电磁场。将待测设备放置在经过校准的无反射室中，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的相位噪声。电磁场产生噪声尖峰，尖峰的平均功率提供了振荡器的EMS值。

图4. EMS测试设置

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（如图5和6所示）。SiTime MEMS振荡器在性能上远远优于竞争对手的石英晶振和MEMS基振荡器。这些结果强调了理解性能与运行环境之间关系的重要性。

图5：156.25MHz LVPECL差分时钟振荡器的平均电磁干扰引起的相位噪声激增 

图6：26MHz单端振荡器的平均电磁干扰引起的相位噪声激增

3.3 震动与振动 

许多电子产品在使用过程中会受到相当大的振动力的影响。特别是对于放在口袋或背包中的移动、便携设备而言更是如此。移动GPS单元、工业设备或航空应用中的电子设备可能会经历更高的振动水平。即使是静止的产品也可能会受到附近风扇或其他设备产生的振动的影响。

石英振荡器可能会因为机械装配和包装而对振动表现出显著的敏感性。SiTime的MEMS First技术[1]生产的MEMS谐振器在两个方面具有固有的抗振动性能下降的特性。首先，硅谐振器的移动部分的质量比石英谐振器小得多。这减少了振动加速度对谐振器施加的力。其次，硅MEMS谐振器是具有平面振动特性的非常坚固的结构，因此能够抵抗振动力引起的运动。振动会通过在与机械振动相同频率下产生电气信号来降低振荡器的性能，导致频率尖峰或相位抖动增加或宽带噪声。机械力还可能损坏物理谐振器结构。因为振荡器的响应取决于外部机械力的方向、强度和频率，因此从多种不同类型的测试中获取的结果可以提供振荡器耐久性的最完整画面。第一个测试是评估对正弦振动的响应，观察在特定频率下出现的杂散相位噪声或噪声尖峰。这种相位噪声被转换为调频（FM）噪声，并以1g振动加速度的载波频率进行归一化。结果以ppb/g的形式表示，作为振动频率的函数。测量设置包括控制器、功率放大器和震动器。正弦振动测试包括从15Hz到2KHz的振动频率，峰值加速度为4g，代表了振荡器在现场可能经历的振动力。振荡器在x、y和z轴上受到振动的影响，报告的结果是这三个方向上观察到的最高噪声响应。

图7展示了基于石英晶振、SAW和MEMS的差分振荡器的振动灵敏度结果。SiTime MEMS振荡器的性能优于其他设备10倍至100倍。

图7显示了在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的关系。

第二个振动测试按照MIL-STD 883F中规定的7.5g均方根加速度产生随机振动，以模拟恶劣的工作环境。结果以15Hz至10kHz偏移频率引起的诱导相位抖动的形式报告，通过将诱导相位噪声在15Hz至10kHz的偏移频率范围内积分来计算。数据（见图8）显示了广泛的响应范围。SiTime MEMS振荡器在随机振动下表现出色，优于其他所有设备，表明其对随机振动具有较高的抵抗力。

图8显示了随机振动引起的差分振荡器相位抖动。

SiTime MEMS振荡器还对机械力的抵抗力进行了第三项测试，即对冲击的抵抗力。突然的冲击往往会导致振荡器频率的瞬态偏移。SiTime测量了石英和MEMS基振荡器对500g半正弦波冲击脉冲的响应。图9的结果显示，大多数设备都出现了显著的频率偏移，而SiTime MEMS的频率偏移不到1ppm。关于振荡器震动和振动性能对比测试条件和实验结果的详细信息，请参见“MEMS和石英振荡器震动和振动性能对比”[3]。图9显示了差分振荡器对500g冲击的响应。

图9：500g冲击下差分振荡器的响应 

四、可靠性

衡量组件可靠性的一种方法是预测平均故障间隔时间（MTBF）。对于半导体组件来说，这是故障时间（FIT）率的倒数，表示在100亿小时的运行时间后统计上预期出现的故障次数。MTBF越高，设备的预期寿命越长，因此设备越可靠。低的FIT率意味着预期故障数较少和较高的可靠性。

SiTime通过在高温和高电压下对振荡器进行长时间的应力测试来计算FIT。对数千个振荡器进行累计测试时间超过200万设备小时的应力测试后，未出现任何故障。基于这些结果，SiTime的MEMS振荡器的计算可靠性率为不到1 FIT，对应于100亿小时的MTBF。有关计算FIT率和MTBF的方法的详细信息，请参见“SiTime振荡器的可靠性计算”[4]。

图10列出了来自各家制造商的振荡器的报告平均故障间隔时间(MTBF)，显示SiTime的MEMS振荡器比石英振荡器具有显著更高的可靠性。

Figure 10. 以平均故障间隔时间(MTBF)衡量的石英和半导体振荡器的可靠性

五、总结 

为了真正了解设备的性能，在实际应用条件下考虑振荡器的性能至关重要。实际运行条件通常包括电源噪声、外部电磁干扰、振动和冲击。在这些条件下进行测试可以证明SiTime MEMS振荡器相对于竞争的石英晶振和半导体基器件的优势。SiTime在考虑的四个类别中都优于竞争对手。 

* 电源噪声：比石英晶振好7倍以上 

* 对电磁干扰噪声的敏感性：比竞争对手好50倍以上 

* 振动：比石英晶振好40倍以上 

* 可靠性：比石英晶振好80倍以上 

 环境应力，如外部噪声和振动源，会损害时钟设备的耐用性、性能和可靠性。SiTime生产的硅MEMS振荡器能够在从典型到极其具有挑战性的环境条件下保持相位噪声和抖动规格，并在各种运行环境中表现出长期可靠性。