本文描述了定時器件的基本要求，并列出了適合不同應用的振蕩器類別。表1比較了硅MEMS和石英振蕩器的性能，其中考慮到了上一部分討論的許多參數(shù)。在這一部分，我們將更加詳細地討論高性能振蕩器需要考慮的幾個重要因素：溫度響應、頻率控制以及降低EMI要求。另外還會討論電路板設計、產(chǎn)品交貨時間和成本等實用性因素。了解更多關于石英振蕩器的詳細參數(shù)請點擊此處：http://hbjingang.com/product/infomation/234729/2012613152322333.html

表1:硅MEMS和石英振蕩器的比較。

　　溫度補償

　　諧振器會因為溫度變化而熱脹冷縮，從而影響到它們的諧振頻率，因此溫度補償對要求嚴格應用中的振蕩器性能來說非常重要。雖然石英具有非常低的熱膨脹系數(shù)，但由于溫度改變造成的變化仍然是影響石英振蕩器頻率穩(wěn)定度的主要因素。在不加溫度補償?shù)那闆r下，固定頻率石英振蕩器的總體頻率穩(wěn)定度是±20ppm至±50ppm（見圖1）。

　　硅的熱膨脹系數(shù)要比石英高1個數(shù)量級，因此溫度補償要放在MEMS振蕩器的振蕩電路中。MEMS振蕩器采用了一種溫度數(shù)字轉換器（TDC），它能自動校正由于溫度變化導致的振蕩器頻率變化。由于所有溫度補償功能都集成在現(xiàn)有振蕩器電路內，因此不需要額外元件。

　　如圖1所示，SiTime的±25ppm額定值MEMS振蕩器與±25ppm額定值石英振蕩器相比具有更好的低溫和高溫余量。MEMS溫控晶體振蕩器適合要求更高頻率穩(wěn)定度的應用。一般來說，與MEMS晶體振蕩器相比，MEMS溫控晶體振蕩器具有更加復雜和更高性能的補償電路，還需要更高階的校準算法以及更廣泛的測試。

圖1:在標準工業(yè)溫度范圍內SiTime公司的±25ppm額定值MEMS晶體振蕩器和±25ppm額定值石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

　　電信和網(wǎng)絡應用的穩(wěn)定性問題

　　電信應用要求特別穩(wěn)定的本地時鐘，而且在參考時鐘暫時失效時還要保持穩(wěn)定。例如當系統(tǒng)不能與GPS衛(wèi)星通信時，內部定時電路需要提供24小時至48小時的保持狀態(tài)。

　　將時鐘保持在恒定的溫度是達到這些應用所要求的頻率穩(wěn)定性的一種方法。基于石英的溫控晶體振蕩器（TCXO）實現(xiàn)這一目標的方法之一是增加被稱為爐溫補償?shù)谋镜販囟拳h(huán)境。爐溫選擇在晶體的頻率與溫度曲線上的一個平坦點，以進一步提高頻率穩(wěn)定性。這種方法非常有效，頻率穩(wěn)定度能達到0.05至±0.5ppm數(shù)量級，但加熱腔占用了寶貴的電路板空間，而且需要消耗額外的功耗。另外一個缺點是加熱器在器件上電后需要延遲一段時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度。

　　不用加熱腔也可以滿足超高頻率穩(wěn)定度的要求。MEMS技術經(jīng)過了長足的發(fā)展，已經(jīng)無需增加爐溫補償就能達到OCXO等級的性能。這種振蕩器不采用物理性加熱方法，而是由溫度補償電路的先進架構加上更加復雜的校準算法與測試來達到同樣等級的頻率穩(wěn)定度，就好像振蕩器保持在恒溫狀態(tài)一樣。圖2顯示了這種振蕩器在-40℃至+85℃溫度范圍內的頻率穩(wěn)定性。

圖2:硅MEMS溫度補償晶體振蕩器（TCXO）的穩(wěn)定性。

　　精調頻率

　　輸出頻率隨著輸入電壓改變的壓控振蕩器（VCXO）允許對頻率進行精細調整，從而提高電信、寬帶和其它應用中的時鐘同步性能。控制電壓通常是由模擬電路控制的。而MEMS振蕩器具有額外的數(shù)字電壓控制選項，因此對輸入電壓的控制更加容易。

　　頻率可以在有限的輸入電壓范圍內進行控制，而頻率能夠被牽引的程度受限于振蕩器的頻率穩(wěn)定性。更高的頻率穩(wěn)定度可以提供更大的牽引范圍（APR）。石英振蕩器的牽引范圍一般為±200ppm,而MEMS振蕩器的牽引范圍可以高達±1600ppm.

　　理想情況下，輸出頻率隨供電電壓呈線性變化，但振蕩器實際上并不呈完全線性響應。與線性值相比的任何偏離都會導致KV的變化，即頻率與電壓曲線斜率的變化。由于KV會影響重要的PLL性能參數(shù)，例如帶寬和相位余量，而這些參數(shù)的任何變化都會使PLL設計復雜化。線性度定義為偏離直線的百分比，石英振蕩器的線性度一般在5%至10%,而MEMS振蕩器的線性度不超過1%.

　　降低EMI

　　由電磁干擾（EMI）引起的噪聲對電子應用來說是個很大的問題。例如在移動計算環(huán)境中，由于使用了密度非常高的電路板，輻射和傳導電磁干擾可能導致系統(tǒng)無法通過環(huán)境一致性測試（比如FCC A類或B類測試）。如果PCB沒有針對電磁干擾一致性進行優(yōu)化，那么由振蕩器產(chǎn)生的諧波分量可能成為有害電磁干擾的主要來源。屏蔽可以減少電磁干擾，但成本昂貴，對便攜式設備來說并不可行。

　　濾波是另外一種選擇，但要求改變設計甚至電路板版圖，這樣會延遲產(chǎn)品的發(fā)布。如果在設計周期晚期才發(fā)現(xiàn)電磁干擾問題，這種代價是非常高昂的。一種解決方案是用可編程的擴頻MEMS振蕩器（SSXO）代替原來的振蕩器。這種方法無需昂貴的電路板設計就可以減少振蕩器產(chǎn)生的輻射能量，因為新的振蕩器可以直接替換現(xiàn)有元件。許多微處理器、微控制器和存儲器應用都使用SSXO.

　　SSXO的工作原理是利用一個三角波緩慢地調制時鐘輸出頻率來達到降低峰值頻譜能量的目的。調制頻率典型值在30kHz左右。在更寬范圍內擴展能量有兩種選擇，一種是中心擴展模式（頻率的±0.25%至±2.0%），一種向下擴展模式（-0.5%至-4.0%）。擴展能量譜可以顯著減小峰值幅度，這可以從圖3所示的標準MEMS振蕩器和SSXO在采用-2%向下擴展模式時的頻譜圖中看出來。這種峰值能量幅度抑制不僅應用于時鐘的基頻，還可延伸至諧波，從而有效地降低振蕩器輸出的所有分量產(chǎn)生的電磁干擾。由于電磁干擾減少量正比于頻率，因此與基頻相比，更高頻率的諧波表現(xiàn)出更大的電磁干擾衰減。然而，由于能量的擴展，SSXO不能用于某些特定應用，比如無線和高數(shù)據(jù)速率串行I/O.

圖3:擴展頻譜時鐘的噪聲抑制優(yōu)勢。

　　實用性設計考慮

　　系統(tǒng)每個元件的性能都很重要，但總體電路板版圖也很重要。在典型的MEMS振蕩器封裝中，諧振器裸片放在振蕩器IC的頂上，并與綁定線連接。使用MEMS振蕩器的一個重要優(yōu)勢是，它們可以提供許多標準的塑料封裝尺寸，包括2.5x2.0、3.2x2.5、5.0x3.2和7.0x 5.0mm.這給設計師選擇適合電路板設計的封裝提供了很大的靈活性。

　　如果用MEMS振蕩器來代替原有設計中的石英振蕩器，選擇匹配石英振蕩器外形的封裝。如果重新設計的目標是要縮小整塊電路板的尺寸，或者如果其它元件的設計更改限制了振蕩器可用的空間大小，那么可以換成更小封裝的MEMS振蕩器，同時保持甚至提升性能和功能。

　　有一些應用要求超薄封裝，石英振蕩器可能太高了，無法安裝進要求的外形尺寸內，標準MEMS振蕩器可能也會遇到這種情況。滿足高度限制的一種方法是選擇將諧振器附屬在振蕩器IC旁邊而不是頂上的MEMS振蕩器設計。這種設計可以安裝進高度僅0.25mm的封裝中，相比之下標準塑料封裝要求0.75mm的高度。

　　產(chǎn)品交貨時間

　　雖然設計師主要強調元件的性能和功能集，但考慮元件的可用性也很重要，因為這會影響到終產(chǎn)品的上市時間。例如，振蕩器元件的交貨時間取決于振蕩器類別和想要的功能。

　　石英晶體振蕩器需要針對想要的特定頻率進行精密切割。制造商存放所有可能頻率的產(chǎn)品既不實際，也不具成本效益，因此他們一般是庫存有限數(shù)量的標準頻率晶體。找到一家保存有目標頻率晶體、而且相位噪聲、工作電壓和封裝尺寸滿足你要求的制造商是有可能的。在這種情況下，交貨時間相當短，但可能仍然需要從多家供應商采購整個系統(tǒng)需要的所有振蕩器。

　　如果你的振蕩器指標要求不能匹配庫存產(chǎn)品，那就有必要購買定制的振蕩器。由于確定工作頻率的切割步驟必須在石英振蕩器制造工藝開始前完成，因此整個過程不能在收到定單后才開始。交貨時間一般需要6周到16周。由于MEMS振蕩器使用相同的諧振器，并且頻率可以通過CMOS振蕩器芯片編程，所以交貨時間要短得多。MEMS振蕩器的制造商可以通過產(chǎn)品配置滿足客戶要求，產(chǎn)品交貨時間一般在2周至5周之間。

　　成本

　　對于沒有嚴格要求并且能夠使用現(xiàn)成石英振蕩器的應用來說，前期元件成本是很低的。然而，如果振蕩器需要專門定購，那就會增加成本，高性能特性的增加也是如此。對于石英振蕩器來說尤其是這樣。因為MEMS振蕩器是可編程的，它們不需要額外的處理步驟，也不需要使用元件增加功能，因此邊際成本要低得多。

　　振蕩器元件的前期成本并不是影響總成本的因素。如果原型的初始測試指示需要增加振蕩器功能來提高定時性能，而新的振蕩器可以直接替代原有元件，那就能使過程流水線化，并節(jié)省費用。這樣可以地減小重新設計電路板以適應不同尺寸振蕩器的需求。

　　本文小結

　　在選擇定時元件時需要考慮許多因素。對高性能應用來說，只是選擇到合適的頻率是不夠的。考慮振蕩器在期望工作溫度范圍內的性能以及振蕩器將如何影響總體抖動預算也很重要。諸如溫度或電壓補償、擴展頻譜或多頻設計等特殊功能足以提升性能，而且增加的成本是值得的。，定時元件需要滿足電路板版圖提出的空間約束要求，并且要在不負面影響產(chǎn)品發(fā)布的時間內供貨。基于MEMS的振蕩器可以經(jīng)過編程提供種類廣泛的特性，從而使得為任何應用選擇到合適的定時器件成為可能。