1、简约构建 - 制造差异

爱普生“简约构建”的声明对比了石英晶振和 MEMS 振荡器的框图，首先对石英晶振和 MEMS 振荡器的制造工艺进行比较是很有指导意义的。包括石英谐振器和封装，以及包含振荡器电路的集成电路 (IC)，与 MEMS 振荡器制造相比，石英振荡器的制造要复杂得多，清洁度也较低。典型的石英晶振工艺流程如图 1 所示，包含 23 个步骤。关键在于，石英晶振制造的工艺步骤比全硅 MEMS 工艺多得多，重要的是，在四个石英晶振制造工艺步骤中（在下面红色矩形框中突出显示），封装盖必须打开。在这些步骤中，石英器件特别容易引入污染物。虽然采取了措施来尽量减少污染物，但无法完全消除，这就导致了老化加速和可靠性问题。

图 1. 石英晶振制造工艺流程

相比之下，MEMS 振荡器制造仅有 12 个主要制造步骤，并且谐振器制造步骤是使用超净半导体晶圆工艺进行的，这是半导体深亚微米晶圆厂的特点。洁净度控制在十亿分之一（ppb）的水平，谐振器在晶圆级别使用 MEMS Epi-Seal™工艺密封。  

图 2. SiTime MEMS 振荡器制造工艺流程

这种超净制造工艺造就了业内最佳的质量和可靠性。图 3 展示了 SiTime MEMS 振荡器的平均故障间隔时间 (MTBF) 为 19 亿小时，而两个石英晶振供应商分别报告为 3800 万小时和 2800 万小时。虽然 3800 万小时看似足够，但将此 MTBF 应用于一年内交付的 10,000 个系统，每年将会导致可测量的 2.3 次故障。相比之下，SiTime MEMS 的 19 亿小时 MTBF 每年仅对应 0.04 次故障，或者如 图 4 所示，一年内出现 1 次故障的几率仅为 4%。 

 图 3. SiTime MEMS振荡器与石英振荡器的 MTBF 比较  

图 4. SiTime MEMS振荡器 与石英振荡器：每 10,000 个单位每年的预计故障数

2、“简单构建”——器件架构差异

SiTime MEMS 振荡器采用锁相环 (PLL) 技术，与石英振荡器供应商（如爱普生的 SG-8018 和 SG-8002 振荡器）一样。爱普生 SG-8018 振荡器的数据手册列出的相位抖动为 68 ps（12 kHz 至 20 MHz），比爱普生白皮书中所提及的“Si-MEMS1”振荡器差 4 倍多。在本文后面，将对爱普生的表面声波 (SAW) 谐振器（如 EG-2121）与 SiTime MEMS 振荡器（SiT9501 和 SiT9365）进行比较。关键在于，没有单一的架构可以定义振荡器。振荡器具有针对不同应用的不同功率-性能特征的个性化架构。

SiT9501 差分输出振荡器的架构如图 5 所示。SiT9501使用带有 MEMS 谐振器和温度补偿电路的整数 PLL。虽然 PLL 和温度补偿电路确实有功率成本，但这些架构组件能提供更高的性能和极大的灵活性。与这些特性相关的好处包括：

• 可编程输出频率实现了灵活性和快速的交货时间。不使用 PLL 的石英振荡器对于每个频率都必须使用不同的石英谐振器。这导致物流复杂，加上制造石英毛坯的相对较长的交货时间以及受限制的陶瓷封装供应链，情况更加恶化。SiTime MEMS 振荡器使用单个 MEMS 谐振器，并且在组装后按需编程输出频率，从而大大缩短了交货时间并简化了物流。 

• 可编程输出格式、电压摆幅和直流电平（FlexSwing™）能够优化信号完整性，并支持所有使用差分时钟输入的芯片组。

• 温度补偿能够在 -40°C 至 105°C 的扩展温度范围内实现 ±20 ppm 的振荡器，以及同类最佳的短期频率稳定性。

 图 5. SiTime SiT9501 架构

3、更低的抖动

爱普生的另一个主张是，简单的基本模式石英晶振架构比基于 PLL 的设备提供更低的抖动。为证明这一点，爱普生展示了 2011 年 SiTime 设备的相位噪声和抖动示例。如今，SiTime 的差分输出振荡器系列已显著改善了 PLL 性能，从而实现了显著更低的抖动。图 6 显示了 SiT9501 振荡器在 156.25 MHz 时的相位噪声图，从 12 kHz 到 20 MHz 积分的相位抖动（IPJ）仅为 0.075 ps。这相比上一代 MEMS 振荡器有了重大改进，远远超过了许多应用的性能要求。它还超过了爱普生白皮书中提到的基于石英晶振的 SG-210S*B 的性能（在 25 MHz 时为 0.320 ps），抖动比爱普生的 SG-210*B 低 4.3 倍/好 4.3 倍，最大抖动比爱普生的 EG-2121 低 3 倍。

图 6. SiTime SiT9501 的相位噪声，156.25 MHz 输出频率

4、振动情况下的抖动 

对于某些应用来说，在存在诸如振动等环境压力因素的情况下保持良好的性能是很重要的。MEMS 谐振器在抗振性方面表现出色，因为其质量远低于石英晶振和 SAW 对应产品。石英谐振器的质量比 MEMS 谐振器高出 1000 至 3000 倍，这意味着给定加速度下 MEMS 谐振器上的合力要低得多。图 7 展示了在幅度为 7.5g 均方根和振动频率范围为 15 MHz 至 2 kHz 的随机振动影响下，SiTime 的 SiT9365 MEMS 振荡器与爱普生、TI 和 Pericom 的石英振荡器的相位噪声性能。展示了每个振荡器（积分范围为 10 Hz 至 10 kHz）在有振动和无振动情况下的积分相位抖动。SiT9365 振荡器的积分相位抖动没有显著增加，但石英振荡器的抖动增加较大，从 2.5 倍到 6 倍不等。爱普生的 SG-7050 振荡器从 0.97 ps 增加到 4.6 ps，增加了 3.8 倍。  

图 7. 随机振动下的相位噪声和积分相位抖动 

5、在电源噪声存在情况下的抖动 

另一个常见的环境压力因素是电噪声，其耦合到振荡器的电源上。常见的噪声源是 DC-DC 转换器和线性稳压器。对这种电噪声的抵抗能力的度量称为电源噪声抑制（PSNR）。这通过在不同频率下将 50 mV 的正弦信号交流耦合到振荡器电源引脚并测量对时钟输出抖动的影响来进行测试。以ps每毫伏（ps/mV）为单位的较低 PSNR 数值表示更低的抖动和更好的性能。

图 8 比较了 SiTime MEMS SiT9501 振荡器与爱普生的石英 EG-2121 振荡器的 PSNR。SiT9501 在 200 kHz 至 2 MHz 的常见开关稳压器频率范围内表现明显更好：在 200 kHz 时低 8.6 倍/好 8.6 倍，在 2 MHz（常见的 DC-DC 转换器开关频率）时好 40 倍。

图 8. 电源噪声抑制（PSNR） 

6、更低的功耗 

最新的 SiTime 差分振荡器的功耗低于包括爱普生 EG-2121 在内的竞争石英晶振和基于声表面波（SAW）的振荡器。在锁相环（PLL）设计中，可以牺牲抖动性能来换取更低的功耗，并且 SiTime 提供的其他产品系列的功耗明显低于大多数基频模式振荡器。表 1 列出了几种 SiTime 和爱普生振荡器的功耗。

表 1. 功耗 

SiT9501 和 EG-2121 器件均为高性能振荡器，具有低抖动和高频能力。SiT9501 具有用于可编程输出频率和温度补偿的锁相环（PLL），最大功耗为 48.4 毫安——比爱普生 EG-2121 基于声表面波（SAW）的振荡器低 39.5%。SiTime 在降低 PLL 功耗的同时保持了出色的抖动性能，超越了 EG-2121 的性能。爱普生 SG-210S*B 的性能级别低于爱普生 EG-2121（抖动更差），没有 PLL，功耗为 1.6 毫安。SiTime SiT8021 振荡器包含 PLL，其优化后的IDD 比 SG-210S*B 低 5 倍。除了这些振荡器，SiTime 的产品组合还包括为每个应用领域提供丰富的、具有不同功率性能配置的振荡器，如下表 2 所示。 

表 2. SiTime 功率性能产品

7、更优的频率与温度关系

爱普生声称：MEMS 振荡器具有“参差不齐”的频率与温度响应曲线。尽管爱普生的白皮书承认 MEMS 振荡器在总的频率与温度特性方面具有优势，但也提到由于 MEMS 温度补偿电路，在频率与温度曲线中存在频率跳跃。

图 9 展示了 SiTime SiT9501 与爱普生 EG2121 的频率与温度特性。如图所示，由于温度补偿以及平滑的曲线（没有频率跳跃或参差不齐），SiTime SiT9501 在整个温度范围内的频率变化比爱普生低近 10 倍（更优）。我们最新的振荡器产品通过高阶多项式曲线拟合和高带宽温度数字转换器（TDC）展示出显著改进的温度补偿。

 图 9. 频率与温度

8、 更优的短期频率稳定性

爱普生宣称：MEMS 振荡器的短期频率稳定性更差。基于 MEMS 的 SiT9501 振荡器采用了温度补偿技术，在整个温度范围内能实现出色的频率稳定性。这种温度补偿电路在 SiTime 的 XO、VCXO 和 TCXO 中均有配备，其中 TCXO 具有最佳的温度稳定性性能。

温度补偿能改善短期频率稳定性，因为即使在短时间间隔内非常小的温度变化也会影响输出频率，从而影响短期频率稳定性。

图 10 展示了 SiTime SiT9501 差分 XO 与爱普生 EG-2121 XO 的短期频率稳定性。如图所示，SiT9501 的总体偏差远低于爱普生振荡器，这主要归因于所有 SiTime 振荡器内置的温度补偿。基于石英和 SAW 的振荡器通常没有内置温度补偿。在 50 秒的时间间隔内，SiTime 振荡器的最大偏差为 6 ppb，而爱普生振荡器为 22 ppb。 

图 10. 短期频率稳定性 - 原始频率数据

表征短期稳定性的另一种方法（除了像前一幅图中所示的原始频率数据外）是使用统计方法，如阿伦方差/偏差。阿伦方差与相邻频率样本在时间上的分数频率偏差的平方差之和成正比。阿伦偏差只是阿伦方差的平方根。这在某种程度上类似于标准方差/标准偏差，但阿伦方差是两个样本的方差——每个样本都与前一个样本进行比较，而不是像标准偏差那样与总体的平均值进行比较。这些相邻频率样本的平均间隔通常标记为 τ 。阿伦偏差的公式如下：

由于 σy(σ) 是短期频率不稳定性的度量，数值越低表示性能越好。当我们计算此频率趋势数据的阿伦方差时，我们得到如图 11 所示的曲线，显示了阿伦偏差与频率样本平均时间的关系。

图 11. 阿伦偏差与样本平均时间 τ  

从阿伦偏差图（以及直观地从图 10 中的频率趋势数据）可以看出，SiTime SiT9501 振荡器的性能远优于爱普生 EG-2121 振荡器。在平均时间为 10 秒时，SiTime SiT9501 的 ADEV 比爱普生 EG-2121 低约 6 倍/好约 6 倍。

9、结论

本白皮书讨论了振荡器的几个重要性能指标，包括相位噪声和相位抖动、功耗、频率稳定性以及电源噪声抑制。表 3 总结了基于 MEMS 的 SiT9501 与基于石英的 EG-2121 之间的性能比较。在每个类别中，由 SiT9501 所展示的 SiTime MEMS 技术都显著优于爱普生 EG-2121 的技术。

表 3. SiTime SiT9501 与爱普生 EG-2121 的性能比较