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SiT5501
1-60MHz任意频率，±0.01ppm高精度，支持压控、数控、方波、削峰正弦波多种功能可选±5ppm温补差分
MEMS振荡器与石英晶振性能对比
2020-06-04 00:00:00
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操作环境中的几个因素可能会对振荡器性能产生负面影响，影响相位噪声和抖动。 下面几点是SiTime振荡器与石英晶振同环境条件下性能对比：
电源噪声
需要考虑的另一个重要噪声源是外部产生的EMI噪声振荡器性能（与时钟源发出的EMI信号相反）。功率耗材，电力线，闪电，电脑设备和电子元器件都是外部产生的EMI的潜在来源，可以通过系统耦合到系统中辐射。 EMI是无源光网络（PON），蜂窝基站和许多用于户外环境较大的产品存在电磁源。 EMI也是密集电子板中多个开关电源的的一个重要问题，因为振荡器组件可以靠近这些电源。入站EMI可以改变时钟抖动，并且在灾难性的情况下，即使是时钟设备的工作频率，对任何系统的功能产生负面影响取决于时钟信号的可靠性能。相位抖动和相位噪声增大受EMI影响显著，并且尝试滤除到达振荡器的噪声并不总是成功的。另一种方法是设计时钟设备成功拒绝EMI，电磁敏感性或EMS，量化有害的EMI对振荡器等电子电路的影响。
EMS可以按照EMC标准IEC EN61000-4.3。 本标准规定了频率范围为3V / m的辐射电磁场范围为80 MHz至1 GHz，增量步长为1％。 被测设备位于校准的消声室并定位成使其与垂直轴对齐极化天线，如图4所示。相位噪声分析仪精度高，低噪声数字信号分析仪捕获振荡器相位噪声。 电磁场引发噪音刺激，马刺的平均功率提供了EMS的测量振荡器。
多个石英厂商振荡器产品和SiTime MEMS振荡器的数据说明了EMI对两者的影响差分和单端振荡器（图5和图6）。 SiTime MEMS振荡器在相当大的幅度下优于竞争的石英和基于MEMS技术的振荡器。
震动和振动
许多电子产品在使用过程中受到很大的振动。 这个特别是在口袋或背包中携带的移动便携式设备。 电子产品在移动GPS单元，工业设备或航空航天应用中可能会有更高的水平的振动。 即使静止产品也可能会受到附近风扇或其他风扇的振动设备。
由于采用机械原理，石英振荡器可能对振动具有显著的敏感性装配和包装使用。 SiTime采用MEMS FirstTM技术生产MEMS谐振器本质上更能抵抗振动引起性能下降。首先，硅谐振器的移动部分的质量比石英谐振器小得多。 这降低了从振动引起的施加到谐振器的力加速。 第二，硅MEMS谐振器是在平面内振动的非常硬的结构因此耐受由振动力引起的移动。
振动可以通过以与机械振动相同的频率感应电特征来降低振荡器性能，从而引起频率尖峰或增加的相位抖动或宽带噪声。机械力也可能损坏物理谐振器结构。
因为振荡器响应取决于外部机械力的方向，严重性和频率，从几种不同类型的测试结果可以看出振荡器弹性的最全面的图像。
第一个测试是通过观察杂散相来评估对正弦振动的响应噪声或噪音刺激，发生在特定的频率。 这个相位噪声被翻译成频率调制（FM）噪声，并归一化为载波频率为1g振动加速。 结果以振动的函数表示为十亿分之一亿（gb / g）频率。 测量设置包括控制器，功率放大器和振荡器。
正弦振动试验包括15 Hz至2 kHz的振动频率，峰值加速度为4g，代表振荡器在现场的振动力。 振荡器在x，y和z轴上受到振动，报告结果为观测到的三个方向的噪声响应最高。
图7给出了石英，SAW和基于MEMS的差分振动灵敏度结果振荡器。 SiTime MEMS振荡器的性能优于其他器件的10到100倍。
第二振动试验以7.5-g rms的加速度产生随机振动，如由MIL-STD 883F定义，它模拟恶劣的操作环境。 结果是以时域的诱导相位抖动为依据，通过积分计算得出15 Hz至10 kHz偏移频率引起的相位噪声。 数据（见图8）显示了广泛的响应。 SiTime MEMS振荡器优于所有其他器件，表明它相对免于随机振动。
SiTime MEMS振荡器对冲击也不敏感，第三次测试耐受机械力。 突然的震动会导致振荡器频率的瞬态偏差。SiTime测量了基于石英和MEMS的振荡器对1ms半正弦的响应波浪冲击脉冲加速度为500 g。 图9中的结果显示，尽管大多数器件表现出显著的频率偏差，SiTime MEMS的频率偏离小于1ppm。
电源噪声
任何系统中的主要噪声源都是电源。大多数这种噪音是通过无源滤波器和放电在电源上的去耦电容滤除输入振荡器。然而，仍然存在一些噪声，这可能会增加抖动输出时钟，并可能会对系统时序裕度产生负面影响。只有当电源本身被接通时这个噪声没有放大，而当电路板上的其他设备打开时或在系统运行期间关闭。板载问题，如电源过滤不足或地面反弹，也会影响噪音和抖动。电源抑制比（PSRR）是一个具体参数用于设计模拟电路并提供指示电路对电源的噪声有多强大。与PSRR是不相关的参数以dB表示，噪声电源条件下的振荡器性能由电源噪声敏感度（PSNS）指标表示。 PSNS被量化的振荡器在经受控峰值时表现出的感应相位抖动在20 kHz至20 MHz范围内的特定频率的噪声注入。
图2.电源噪声抑制测试设置框图
包括电源和示波器的测试设置如图2所示控制测试方法来评估振荡器的PSNS性能。 示波器以规定的电压和频率增加系统噪声，以测量其影响电源噪声对振荡器的抖动。 图3中的曲线显示了集成的相位抖动电源开关噪声频率为峰值峰值电源噪声为50 mV的功能，将各种石英振荡器的结果与SiTime MEMS振荡器的结果进行比较用于LVCMOS输出。 如图所示，SiTime的MEMS振荡器抖动较小跨越所有噪声频率。 其原因是SiTime内置的降噪电路振荡器电路保护振荡器免受电源引起的抖动。
图3. SiTime MEMS和爱普生SAW振荡器的50 mV电源噪声存在的相位抖动作为电源开关噪声频率的函数
外部EMI噪声
需要考虑的另一个重要噪声源是外部产生的EMI噪声振荡器性能（与时钟源发出的EMI信号相反）。功率耗材，电力线，闪电，电脑设备和电子元器件都是外部产生的EMI的潜在来源，可以通过系统耦合到系统中辐射。 EMI是无源光网络（PON），蜂窝基站和许多用于户外环境较大的产品存在电磁源。 EMI也是密集电子板中多个开关电源的的一个重要问题，因为振荡器组件可以靠近这些电源。入站EMI可以改变时钟抖动，并且在灾难性的情况下，即使是时钟设备的工作频率，对任何系统的功能产生负面影响取决于时钟信号的可靠性能。相位抖动和相位噪声增大受EMI影响显著，并且尝试滤除到达振荡器的噪声并不总是成功的。另一种方法是设计时钟设备成功拒绝EMI，电磁敏感性或EMS，量化有害的EMI对振荡器等电子电路的影响。
EMS可以按照EMC标准IEC EN61000-4.3。 本标准规定了频率范围为3V / m的辐射电磁场范围为80 MHz至1 GHz，增量步长为1％。 被测设备位于校准的消声室并定位成使其与垂直轴对齐极化天线，如图4所示。相位噪声分析仪精度高，低噪声数字信号分析仪捕获振荡器相位噪声。 电磁场引发噪音刺激，马刺的平均功率提供了EMS的测量振荡器。
图4. EMS测试的设置
多个石英厂商振荡器产品和SiTime MEMS振荡器的数据说明了EMI对两者的影响差分和单端振荡器（图5和图6）。 SiTime MEMS振荡器在相当大的幅度下优于竞争的石英和基于MEMS技术的振荡器。
震动和振动
许多电子产品在使用过程中受到很大的振动。 这个特别是在口袋或背包中携带的移动便携式设备。 电子产品在移动GPS单元，工业设备或航空航天应用中可能会有更高的水平的振动。 即使静止产品也可能会受到附近风扇或其他风扇的振动设备。
图5. 156.25MHz LVPECL差分时钟振荡器的EMI诱发相位噪声的平均电平
图6. 26 MHz单端振荡器的EMI引起的相位噪声的平均电平
由于采用机械原理，石英振荡器可能对振动具有显著的敏感性装配和包装使用。 SiTime采用MEMS FirstTM技术生产MEMS谐振器本质上更能抵抗振动引起性能下降。首先，硅谐振器的移动部分的质量比石英谐振器小得多。 这降低了从振动引起的施加到谐振器的力加速。 第二，硅MEMS谐振器是在平面内振动的非常硬的结构因此耐受由振动力引起的移动。
振动可以通过以与机械振动相同的频率感应电特征来降低振荡器性能，从而引起频率尖峰或增加的相位抖动或宽带噪声。机械力也可能损坏物理谐振器结构。
因为振荡器响应取决于外部机械力的方向，严重性和频率，从几种不同类型的测试结果可以看出振荡器弹性的最全面的图像。
第一个测试是通过观察杂散相来评估对正弦振动的响应噪声或噪音刺激，发生在特定的频率。 这个相位噪声被翻译成频率调制（FM）噪声，并归一化为载波频率为1g振动加速。 结果以振动的函数表示为十亿分之一亿（gb / g）频率。 测量设置包括控制器，功率放大器和振荡器。
正弦振动试验包括15 Hz至2 kHz的振动频率，峰值加速度为4g，代表振荡器在现场的振动力。 振荡器在x，y和z轴上受到振动，报告结果为观测到的三个方向的噪声响应最高。
图7给出了石英，SAW和基于MEMS的差分振动灵敏度结果振荡器。 SiTime MEMS振荡器的性能优于其他器件的10到100倍。
图7. X，Y或Z轴在4g峰值加速度正弦振动下的差分XO最大振动灵敏度对频率的影响
第二振动试验以7.5-g rms的加速度产生随机振动，如由MIL-STD 883F定义，它模拟恶劣的操作环境。 结果是以时域的诱导相位抖动为依据，通过积分计算得出15 Hz至10 kHz偏移频率引起的相位噪声。 数据（见图8）显示了广泛的响应。 SiTime MEMS振荡器优于所有其他器件，表明它相对免于随机振动。
图8.由随机振动引起的差分振荡器相位抖动
SiTime MEMS振荡器对冲击也不敏感，第三次测试耐受机械力。 突然的震动会导致振荡器频率的瞬态偏差。SiTime测量了基于石英和MEMS的振荡器对1ms半正弦的响应波浪冲击脉冲加速度为500 g。 图9中的结果显示，尽管大多数器件表现出显著的频率偏差，SiTime MEMS的频率偏离小于1ppm。
图9.差分振荡器对500 g电击的响应
可靠性
量化组件可靠性的一种方法是预测故障之间的平均时间（MTBF）。 对于半导体组件，这是时间失效（FIT）率的倒数，表示为在10亿小时后统计预期的故障数。MTBF越高，设备的预期寿命越长，因此越多设备可靠 FIT率的低值表明预期故障数量很少，高可靠性。
SiTime通过使振荡器在升高的温度下进行压力测试来计算FIT电压延长一段时间。 强调成千上万振荡器的累积测试时间超过200万个设备小时工作没有失败。 基于这些结果，SiTime的MEMS振荡器的计算可靠度小于1 FIT，对应于MTBF为1000万小时。 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]。
总结
在真实世界的条件下考虑振荡器的性能是非常重要。 实际操作条件通常包括存在电源噪声，外部EMI，振动和冲击。 在这些条件下进行测试与石英振荡器和基于半导体的器件相比，展示了SiTime MEMS振荡器的优势。 SiTime在所有四个类别中都表现优越：
- 1.电源噪声：优于石英晶振7倍
- 2.易受EMI噪音影响：比竞争对手优于50倍
- 3.振动：比石英优于40倍
- 4.可靠性：比石英优于80倍
图1.基于MTBF的石英和半导体振荡器的可靠性
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