使用MEMS與石英諧振器有什么應用優(yōu)勢

近 20 年來，基于 MEMS 諧振器的振蕩器一直存在，有望成為石英振蕩器的可行、顛覆性替代品。多年來，已有十幾家公司開始開發(fā) MEMS 諧振器，而在此期間，只有一家公司成功地作為主要供應商幸存下來。

在使用 MEMS 諧振器時，有許多關(guān)于提高振動靈敏度、降低制造成本和提高可靠性的主張。然而，一旦你開始研究這些領(lǐng)域，數(shù)據(jù)有時無法呈現(xiàn)真實世界的情況。例如，基于 MEMS 的設(shè)備的平均故障間隔 （MTBF） 率為 130，000 年，而基于石英的解決方案為 30，000 年，這對于任何設(shè)計人員來說都不是主要問題。但是，當以 4 比 1 的時間間隔呈現(xiàn)故障時，這會在設(shè)計人員的腦海中產(chǎn)生不同的印象，而不會為部件的長期可靠性增加任何真正的優(yōu)勢。設(shè)計人員會認為 30，000 年是可接受的 MTBF 水平，因此這種說法沒有實際意義。

MEMS 諧振器的關(guān)鍵特性之一是振動靈敏度（有時稱為重力靈敏度或振動引起的相位偏移）。這在 2001 年左右得到認可，并已作為諧振器的一個關(guān)鍵破壞性特征推向市場。但是，一旦我們開始查看數(shù)據(jù)，就可以開始質(zhì)疑是否有任何真正的優(yōu)勢?？紤]以下：

典型的振動范圍是從 sub-Hz 級別到 2 kHz

在大多數(shù)應用中，振動密度水平在 2 kHz 以上停止或大幅下降

根據(jù)相位噪聲測量，相位抖動通常具有 12 kHz 和 20 MHz 的積分范圍

這個范圍是任何客戶指定的最大振動水平的六倍

振動靈敏度測量單位是每克振動的十億分之一 （ppb/g）

MEMS 振動靈敏度范圍為 0.01 ppg/g 至 1 ppb/g，基于諧振器方向

石英振動靈敏度范圍為 0.1 ppb/g 至 1 ppb/g，基于諧振器方向

石英制造商在過去 20 年中將振動靈敏度大大提高到 MEMS 水平

坯料尺寸的變化、更高頻率的應用以及坯料對齊精度的提高是主要改進

這些變化大大提高了石英振蕩器的振動靈敏度和沖擊靈敏度

Renesas ProXO 系列 XF 和 XP 現(xiàn)場可編程時鐘振蕩器使用這些石英工藝改進來獲得低沖擊和振動靈敏度水平

振動引起的相位偏移（增加的相位噪聲水平）與溫度和網(wǎng)絡(luò)引起的相位噪聲互斥

振動引起的噪聲是溫度和網(wǎng)絡(luò)引起的噪聲的 rms 附加值

直到振動引起的噪聲水平等于或高于溫度和網(wǎng)絡(luò)噪聲引起的水平，振動引起的噪聲可以忽略

如果我們查看基于 MEMS 的振蕩器和基于石英的振蕩器在 156.25 MHz、10 gs 的振動水平下的典型相位噪聲水平，我們會看到：

在靜態(tài)條件下，基于石英的振蕩器的噪聲通常比其 MEMS 對應物低 40 分貝

由于具有高連續(xù)振動水平，石英基振蕩器的振動靈敏度等于基于 MEMS 的振蕩器的靜態(tài)振動水平

由于基于 MEM 的振蕩器的靜態(tài)和動態(tài)電平幾乎相等，因此在此范圍內(nèi)其相位噪聲電平幾乎沒有增加

當在 10 Hz 至 2 kHz 的振動范圍內(nèi)發(fā)生 10 gs 的連續(xù)振動時，基于石英和基于 MEMS 的振蕩器的相位噪聲水平是相等的。但是，由于印刷電路板和系統(tǒng)內(nèi)其他更大更重的組件的重量增加，在此頻率范圍內(nèi)持續(xù) 10 g 的振動水平會導致產(chǎn)品的長期可靠性降低和損壞。假設(shè) 10 gs 只會出現(xiàn)一小部分時間，基于石英的振蕩器將具有較低的相位噪聲性能，使其成為現(xiàn)實世界條件的更好解決方案。

在 John Vig 關(guān)于石英晶體諧振器和振蕩器的教程（2016 年 7 月）中，他詳細概述了振動靈敏度的影響。從他的教程中，我們可以使用以下內(nèi)容來查看振動靈敏度的影響（幻燈片 167，第 4-73 節(jié)）

通過此處查看的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)使用 MEMS 諧振器振蕩器與更常見和穩(wěn)定的石英振蕩器相比并沒有真正的優(yōu)勢。因此，瑞薩在幾年前從我們的產(chǎn)品組合中放棄了該產(chǎn)品，并繼續(xù)專注于石英諧振器并改進我們提供的包含內(nèi)部諧振器的設(shè)備，包括新的 ProXO 系列可編程時鐘振蕩器。

審核編輯：郭婷