使用MEMS與石英諧振器有什么應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

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(yīng)商幸存下來。

在使用 MEMS 諧振器時(shí)，有許多關(guān)于提高振動(dòng)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(shí)無法呈現(xiàn)真實(shí)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(duì)于任何設(shè)計(jì)人員來說都不是主要問題。但是，當(dāng)以 4 比 1 的時(shí)間間隔呈現(xiàn)故障時(shí)，這會(huì)在設(shè)計(jì)人員的腦海中產(chǎn)生不同的印象，而不會(huì)為部件的長期可靠性增加任何真正的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)人員會(huì)認(rèn)為 30，000 年是可接受的 MTBF 水平，因此這種說法沒有實(shí)際意義。

MEMS 諧振器的關(guān)鍵特性之一是振動(dòng)靈敏度（有時(shí)稱為重力靈敏度或振動(dòng)引起的相位偏移）。這在 2001 年左右得到認(rèn)可，并已作為諧振器的一個(gè)關(guān)鍵破壞性特征推向市場(chǎng)。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(shì)。考慮以下：

典型的振動(dòng)范圍是從 sub-Hz 級(jí)別到 2 kHz

在大多數(shù)應(yīng)用中，振動(dòng)密度水平在 2 kHz 以上停止或大幅下降

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

這個(gè)范圍是任何客戶指定的最大振動(dòng)水平的六倍

振動(dòng)靈敏度測(cè)量單位是每克振動(dòng)的十億分之一 （ppb/g）

MEMS 振動(dòng)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(dòng)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(dòng)靈敏度大大提高到 MEMS 水平

坯料尺寸的變化、更高頻率的應(yīng)用以及坯料對(duì)齊精度的提高是主要改進(jìn)

這些變化大大提高了石英振蕩器的振動(dòng)靈敏度和沖擊靈敏度

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

振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)水平下的典型相位噪聲水平，我們會(huì)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(duì)應(yīng)物低 40 分貝

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

由于基于 MEM 的振蕩器的靜態(tài)和動(dòng)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(dāng)在 10 Hz 至 2 kHz 的振動(dòng)范圍內(nèi)發(fā)生 10 gs 的連續(xù)振動(dòng)時(shí)，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(dòng)水平會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的長期可靠性降低和損壞。假設(shè) 10 gs 只會(huì)出現(xiàn)一小部分時(shí)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(shí)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(xì)概述了振動(dòng)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(dòng)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(shì)。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(jìn)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(shí)鐘振蕩器。

審核編輯：郭婷