Осцилляторы MEMS против кварцевой технологии

Trend, Range, Scalping and Breakouts - Learn to trade Forex with cTrader - Episode 7 (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Выбор того, какой тип использовать, зависит строго от его применения

ДЭВИД КЕННИ и РОБЕРТ ХЕНРИ
Pletronics, Lynnwood, WA
//www.pletronics.com

От простых RC-генераторов, с точностью до 30 000 ppm, до атомных часов с точностью более 0, 001 ppb, есть опции синхронизации для удовлетворения потребностей каждого приложения. В течение многих лет кварцевые генераторы объемной акустической волны (BAW) удовлетворяли большинство требований, обеспечивая точность в диапазоне 10 ppm. Меньше точные параметры, такие как генераторы ПАВ, керамические резонаторы и ИС-генераторы, имеют преимущества для удовлетворения конкретных потребностей.

Кварцевые устройства уже давно являются стандартом, с помощью которого сравнивались большинство других устройств синхронизации. История кварца как стабильного, контролируемого, высококачественного материала для частотно-избирательных и тактирующих устройств общепризнана, а характеристики частоты и температуры, старения и джиттера и фазового шума хорошо описаны в отрасли.

Относительно недавнее внедрение осцилляторов на основе MEMS сопровождалось утверждениями о том, что эта технология, наконец, заменит кварц, обеспечив более низкие затраты, сократив время проектирования и производства, превосходные характеристики удара и вибрации и превосходное качество сигнала. Несмотря на эти утверждения, было проведено несколько исследований, чтобы помочь понять характеристики характеристик генераторов MEMS. Это исследование направлено на то, чтобы обеспечить прямое сравнение генераторов MEMS с традиционными генераторами на основе кварцевого резонатора. В течение многих лет кварцевые генераторы объемной акустической волны удовлетворяли большинству требований, обеспечивая точность в диапазоне 10 ppm.

Методология исследования

Представленные здесь результаты основаны на применении установленных типичных методов измерения частоты в промышленности и представляют технологии, которые были коммерчески доступны на момент проведения этого исследования в 2008 году. Был рассмотрен ряд электрических характеристик, в том числе частота и температура; фазовый шум - джиттер; краткосрочная стабильность; время запуска; текущий; и долгосрочная стабильность (старение).

Из-за ограничений пространства здесь представлены только некоторые данные о фазовом шуме / дрожании и кратковременной стабильности. A .pdf копия полного исследования доступна на сайте www.pletronics.com/ple/pages/documentation/.

Продукты, выбранные для сравнения, были доступны из национального дистрибутива. Все имеют выход CMOS-уровня, 3, 0- или 3, 3 В и выходные частоты 25 и 50 МГц. Испытанные кварцевые кварцевые генераторы BAW были основным способом для 25-МГц частей и третьего обертона на частоте 50 МГц. Представленные здесь результаты являются либо типичными, либо средними из нескольких устройств этого номера детали.

Фазовый шум / джиттер

Для проведения измерений использовалась тестовая система анализатора сигналов Agilent 5052. Эта система измеряет уровень выходного сигнала, который отличается от желаемого выхода, и относится к уровню фактического основного выхода. Осцилляторы работали в одном и том же конденсаторе с конденсатором с нагрузкой 15 пФ, питаемой от низкошумного линейного источника питания Agilent.

Рисунок 1. Графики фазового шума показывают многое о дизайне и характеристиках этих различных технологических устройств.

Более высокие уровни фазового шума (см. Рис.1) показывают, что генераторы MEMS не являются эквивалентной технологией. У современных приложений связи и передачи данных, скорее всего, будут проблемы с джиттером на уровнях, указанных в тестовой системе Agilent.

Графики фазового шума показывают многое о дизайне и характеристиках этих различных технологических устройств. Уровень шума в закрытом фазе (<1 кГц) определяется в первую очередь Q или селективностью резонатора, причем селективность кварцевого резонатора BAW намного выше, чем у любого из MEMS-устройств.

От 1 до 100 кГц раскрывается информация о дизайне. Генераторы MEMS используют схему фазовой автоподстройки частоты (PLL) с резонатором MEMS, который фазоинвертируется на VCO в петле синтезатора M / N. Уровень фазового шума генераторов MEMS является результатом комбинированных эффектов ширины петли PLL, селективности VCO и Q первичного резонатора. Устройство кварцевого резонатора работает на выходной частоте и не имеет добавленных шумовых сигналов PLL на выходе.

Фазовый шум может быть встроен в определенную область частот и преобразован из частоты во временную область, чтобы обеспечить среднеквадратичное значение джиттера (см. Таблицу 1). Это обычная практика для расчета джиттера для резонаторов на основе кварцевого кристалла, которые обычно имеют характеристики джиттера, которые равны или превосходят лучшие осциллографы.

Краткосрочная стабильность

Краткосрочные данные о стабильности, показанные здесь (см. Рис.2), определялись как частотные измерения, принимаемые каждые 0, 1 с в течение 8 мин, при этом осциллятор стабилизировался при 25 ° С в течение нескольких десятых. Все детали были протестированы с помощью частотного счетчика Agilent 53152, работающего с эталонным стандартным стандартом частоты рубидия. Изменение частоты показано в частях на миллион, относящихся к первому чтению.

Рисунок 2. Генератор резонатора MEMS1 (a), резонатор осциллятора MEMS2 (b). Данные демонстрируют, что эти две технологии не эквивалентны, а также показывают много о дизайне и характеристиках различных устройств.

Для большинства знакомы диаграммы для генераторов BAW (не показаны здесь, но доступны в полном исследовании). Типичный генератор BAW был менее чем ± 0, 02-ppm для одного и того же теста, что привело к прямой линии, которая находится на линии графика отклонения 0.

3. Осцилляторы BAW предлагают менее ± 0, 02-ppm вариации для одного и того же теста, что привело к прямой линии, которая находится на линии графика отклонения 0.

Данные показывают, что эти две технологии не эквивалентны, а также показывают много о дизайне и характеристиках различных устройств:

• Более низкий Q в MEMS-устройствах приводит к большему изменению частоты.

• У устройств MEMS отображаются изменения в шаге на несколько частей на миллион. Это характерно для схемы температурной компенсации, корректирующей изменения температуры резонатора. Это будет форма цифрового изменения в схеме PLL для коррекции частоты.

• Конструкции MEMS1 и MEMS2 (два разных производителя) отличаются от того, как часто происходит цифровая компенсация.

• Кристальный резонатор BAW намного тише, результат гораздо более высокого резонатора Q и не имеет цифровых корректирующих сигналов.

Исследование, рассмотренное здесь частично и обобщенное в таблице 2, сравнило ряд различных электрических характеристик коммерчески доступных генераторов BAW и MEMS с использованием установленных методов измерения. Результаты показывают, что обе технологии не взаимозаменяемы. Частотные вариации, как от более низкой Q, так и от цифровой температурной компенсации в генераторах MEMS, приводили к колебаниям частоты, которые неприемлемы во многих приложениях.

Прошлые попытки сгенерированных с цифровой компенсацией генераторов BAW вышли из строя на рынке из-за шагов компенсации, несмотря на то, что этапы были значительно меньше, чем те, которые использовались в генераторах MEMS. Например, сегодняшние кварцевые генераторы с температурной компенсацией сотового телефона (TCXOs) компенсируются аналогом.

Осцилляторы MEMS хорошо подходят для высоковибрационных сред, приложений с некритичным временем и для приложений, где отношения сигнал-шум не являются критическими. Приложения, которые имеют сложные схемы модуляции, высокоскоростную связь или которые требуют отличной характеристики «сигнал-шум» (например, аналого-цифровые преобразователи), будут по-прежнему синхронизироваться с помощью устройств BAW, используя исключительно высокие значения Q и отличная температурная стабильность кварца. ■