MEMS oszcillátorok és kvarc technológia

BEST MEMES COMPILATION V7 (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

A felhasználandó típus kiválasztása szigorúan az alkalmazásától függ

DAVID KENNY és ROBERT HENRY által
Pletronics, Lynnwood, WA
//www.pletronics.com

Az egyszerű RC oszcillátoroktól, amelyek körülbelül 30 000 ppm-es pontossággal és a 0, 001 ppb-nél nagyobb pontosságú atomórákhoz tartoznak, minden alkalmazás igényeinek kielégítésére időzítési lehetőségek állnak rendelkezésre. Évek óta az ömlesztett akusztikus hullám (BAW) kristály oszcillátorok kielégítik a követelmények többségét, pontosságot biztosítva a 10 ppm-es tartományban. Kevésbé pontos opciók, mint SAW oszcillátorok, kerámia rezonátorok és IC oszcillátorok, mindegyiknek előnyei vannak a speciális igények kielégítésére.

A kvarc alapú eszközök már régóta egy olyan szabvány, amellyel a legtöbb egyéb időzítő eszközt hasonlították össze. A kvarc története, mint stabil, szabályozható, kiváló minőségű anyag a frekvencia szelektív és az időmérő készülékek számára, általánosan elismert, és a frekvencia és a hőmérsékletválasz, az öregedés, a jitter és a fáziszaj jellemzői jól ismertek az iparban.

A MEMS-alapú oszcillátorok viszonylag új bevezetését azzal kísérték, hogy ez a technológia végül a kvarc helyett csökkenti a költségeket, rövidebb tervezési és gyártási ciklusidőket, kiváló ütést és vibrációs teljesítményt, valamint kiváló jelminőséget. Ezen állítások ellenére kevés tanulmány készült a MEMS oszcillátorok teljesítményjellemzőinek megértésében. Ez a vizsgálat a MEMS oszcillátorok közvetlen összehasonlítását kívánja biztosítani a hagyományos kvarc-rezonátor alapú oszcillátorokkal. Évek óta az ömlesztett akusztikus hullám (BAW) kristály oszcillátorok kielégítik a követelmények többségét, pontosságot biztosítva a 10 ppm tartományban.

Tanulmányi módszertan

Az itt bemutatott eredmények a bevett tipikus frekvencia-ellenőrzési iparági mérési technikák alkalmazásán alapulnak, és a technikailag a 2008-as tanulmány idején kereskedelmi forgalomban beszerezhető technológiát jelentenek. Számos elektromos jellemzőt vizsgáltak meg, beleértve a frekvenciát és a hőmérsékletet; fázisú zaj - jitter; rövid távú stabilitás; indítási idő; jelenlegi; és a hosszú távú stabilitás (öregedés).

A helybeli korlátozások miatt itt csak a fáziszajra / jitterre és a rövid távú stabilitásra vonatkozó adatok kerülnek bemutatásra. A teljes tanulmány pdf-másolata a www.pletronics.com/ple/pages/documentation/ címen érhető el.

Az összehasonlításra kiválasztott termékek mind nemzeti forgalomból származnak. Mindegyik CMOS-szintű kimenettel rendelkezik, 3, 0 vagy 3, 3 V-os működést és a kimeneti frekvenciákat 25 és 50 MHz-en. A tesztelt BAW kvarckristályos oszcillátorok alapmódot jelentettek a 25 MHz-es részeknél és a harmadik felhangon 50 MHz-en. Az itt bemutatott eredmények vagy egy tipikus eszközé vagy az adott rész számának több eszközének átlaga.

Fázisú zaj / jitter

A mérések elvégzéséhez az Agilent 5052 jelforrás analizátor tesztrendszert használtuk. Ez a rendszer méri a kimeneti jel szintjét, amely nem a kívánt kimenet, és az aktuális fő kimenet szintjére vonatkozik. Az oszcillátorokat ugyanabban a kúttól kondenzátoros áthidaló készülékben működtetik, 15 pF terhelés mellett, alacsony zajszintű Agilent lineáris tápegységgel.

1. ábra. A fáziszaj-rajzok rengeteget mutatnak ezeknek a különböző technológiai eszközöknek a kialakításáról és jellemzőiről.

A magasabb fázisszintű zajok (lásd 1. ábra) azt mutatják, hogy a MEMS oszcillátorok nem egyenértékű technológiák. A jelenlegi kommunikációs és adatátviteli alkalmazások nagyon valószínűleg problémákat okoznak a jitterrel szemben az Agilent tesztrendszerben jelzett szinteken.

A fáziszaj-rajzok sokat mutatnak ezeknek a különböző technológiai eszközöknek a kialakításáról és jellemzőiről. A közeli fázisú zajszintet (<1 kHz) elsősorban a Q vagy a rezonátor szelektivitása határozza meg, a kvarc BAW rezonátor szelektivitása jóval magasabb, mint bármelyik MEMS eszköz.

Az 1-100 kHz-es adatok a tervezési adatokról szólnak. A MEMS oszcillátorok egy fázist zárolt hurkot (PLL) terveznek, egy MEMS rezonátorral, amely egy M / N szintetizátor hurokba VCO fázissal van lezárva. A MEMS oszcillátorok fáziszajszintje a PLL ciklus sávszélességének, a VCO és az elsődleges rezonátor Q szekvenciájának együttes hatásainak eredménye. A kvarcrezonátoreszköz a kimeneti frekvencián mûködik, és a kimeneten a PLL hozzáadott zajjelzései nincsenek.

A fázisú zaj egy meghatározott frekvenciatartományon belül integrálható és átalakítható a frekvenciából az időtartományba, hogy egy rms Jitter értéket biztosítson (lásd 1. táblázat). Ez általános gyakorlat a kvarc-kristály alapú rezonátorok jitterjének kiszámítására, amelyek rendszerint jitter teljesítményük egyenlő vagy meghaladja a legjobb oszcilloszkópot.

Rövid távú stabilitás

Az itt bemutatott rövid távú stabilitási adatokat (lásd a 2. ábrát) úgy határoztuk meg, hogy a frekvenciamérések 0, 1 másodpercenként 8 percen át történtek, és az oszcillátor néhány tized alatt 25 ° C-on stabilizálódott. A részeket mindegyik Agilent 53152 frekvencia számlálóval teszteltük, amely rubídium atomfrekvencia standard referenciával működik. A frekvenciaváltozást az első olvasathoz tartozó millió részre mutatjuk be.

2. ábra MEMS1 rezonátor oszcillátor (a), MEMS2 rezonátor oszcillátor (b). Az adatok azt mutatják, hogy a két technológia nem egyenértékű, és rengeteget mutat a különböző eszközök kialakításáról és jellemzőiről.

A BAW oszcillátorok grafikonjai (amelyeket itt nem mutatunk be, de a teljes tanulmányban kaphatók) a legtöbb esetben ismerősek. A BAW oszcillátorok jellemzői kisebbek voltak, mint ± 0, 02 ppm eltérés ugyanazon a teszten, ami egy egyenes vonalat eredményezett, amely a 0 eltérési gráfsoron van.

3. ábra. A BAW oszcillátorok kevesebb mint ± 0, 02 ppm változatot kínálnak ugyanazon a teszten, ami egy egyenes vonalat eredményezett, amely a 0 eltérési gráfsoron van.

Az adatok azt mutatják, hogy a két technológia nem egyenértékű, és sok mindent mutat a különböző eszközök kialakításáról és jellemzőiről:

• A MEMS eszközök alacsonyabb Q-ja több frekvenciaváltozást eredményez.

• A MEMS eszközök néhány lépésenkénti változást mutatnak millióban. Ez jellemző a hőmérséklet-kompenzáló áramkör korrekciójára a rezonátor hőmérsékletváltozása miatt. Ez egyfajta digitális változás a PLL áramkörben a frekvencia korrigálására.

• A MEMS1 és a MEMS2 tervek (két különböző gyártó) meglehetősen különböznek a digitális kompenzáció kapcsolási gyakoriságától.

• A BAW kristály rezonátor sokkal csendesebb, sokkal nagyobb Q rezonátor eredménye, és nincsenek digitális korrekciós jelek.

A részben a 2. táblázatban ismertetett tanulmány a kereskedelmi forgalomban beszerezhető BAW és MEMS oszcillátorok számos különböző elektromos jellemzőjét hasonlította össze a megállapított mérési technikák alkalmazásával. Az eredmények azt mutatják, hogy a két technológia nem felcserélhető. A MEMS oszcillátorok alacsonyabb Q-ről és digitális hőmérséklet-kompenzációjáról származó frekvenciaváltozások frekvencia-ingadozásokat eredményeztek, amelyek sok alkalmazásban elfogadhatatlanok.

A digitális hőmérséklet-kompenzált BAW oszcillátorok korábbi próbálkozása a kompenzációs lépések miatt nem sikerült a piacon, annak ellenére, hogy a lépések jelentősen kisebbek voltak, mint a MEMS oszcillátorokban használt értékek. Például a mai mobiltelefon-hőmérséklet kompenzált kristály oszcillátorok (TCXO-k) analóg kompenzáltak.

A MEMS oszcillátorok jól illeszkednek a nagy rezgésű környezetekhez, a nem kritikus időzítésű alkalmazásokhoz és azokhoz az alkalmazásokhoz, ahol a jel-zaj viszony nem kritikus. Azok a alkalmazások, amelyek komplex modulációs rendszerekkel, nagyon nagy sebességű kommunikációval rendelkeznek, vagy amelyek kiváló hangátviteli teljesítményt (pl. A / D átalakítók) igényelnek, továbbra is a BAW eszközök fogják működtetni, kihasználva a kivételesen magas Q és kiváló kvarc hőmérsékleti stabilitása. ■