ECS Inc. のグローバル テクニカル セールスおよびマーケティング担当副社長であるDavid Meaneyが執筆したこの詳細な記事では、重要なアプリケーションでのパフォーマンスを考慮する際の発振器オプションについて説明します。
発振器の議論になると、同じ疑問が生じます。重要なアプリケーションでのパフォーマンスを考えると、MEMS (微小電気機械システム) と水晶ベースの発振器のどちらを選択すべきでしょうか?MEMSベースの発振器は2005年から市場に出回っています。過去15年以上にわたり、少数の企業がMEMSベースの発振器を開発してきました。現在、残っているのはほんのわずかで、大手のMEMSベースの発振器メーカーがタイミング市場全体の約1% を占めています。多くの周波数制御メーカーは、ECSを除いて両社からプライベート ラベルを発行していますが、ECSはこの慣行に何の価値も見出していません。
電子機器や通信機器用の発振器を選択する際に考慮する必要があるタイミングの考慮事項としては、システム パフォーマンス、システム クロッキング、信号品質、基準信号ソースなどがあります。これらは、製品のパフォーマンス レベルを決定する重要なパラメーターです。
MEMS発振器とスタンドアロンの水晶振動子を比較したMEMSメーカーの別のビデオをご覧になったことがあるかもしれません。水晶、SAW、セラミック、MEMSなど、どの発振器でもスタンドアロン共振器よりも常に優れた性能を発揮することが証明されています。したがって、発振器と水晶を比較することは、発振器のパフォーマンスの真のテストにはなりません。この並列比較では、水晶ベースの発振器とMEMS発振器を調べて直接比較します。
- 1) クォーツベースの発振器
- 2) MEMSベースの発振器
構造と特徴
水晶発振器は、水晶基準と単純な発振回路を使用します。
MEMS発振器はシリコン共振器を発振源として使用し、製造公差と温度係数に合わせて周波数を補正するためにPLL回路が必要です。
これらの基本構造が示すように、水晶発振器はシンプルに構築された高品質の時計です。対照的に、MEMS発振器は、MEMS共振器、フラクショナルn PLL、温度補償ネットワークで構成される複雑な構造を備えています。正しく動作させるには製造時の調整も必要です。
これらの発振器の基本構造を図1に示します 。
図1
ECS Inc Internationalは、水晶ベースの発振器とMEMSベースの発振器をテストおよび測定し、通信、ネットワーク、産業、および民生用電子機器の設計に重要な6つのパラメータを比較しました。ECS Incは、コンパイルされたデータの要約も提供しています。
- 1) 消費電力: 消費電流はどれくらいですか?
- 2) 発振器の起動: 電源投入後、発振器はどのくらい早く起動しますか?
- 3) ジッタと位相ノイズ: ノイズ性能(通信機器の重要な要素)はどの程度ですか?
- 4) 周波数対温度特性: 温度変化に対する周波数の安定性はどの程度ですか?
- 5) 周波数安定性: 25℃で測定した場合、周波数はどの程度安定していますか?°
- 6) 振動感度: 悪条件下でのパフォーマンス
- 7) 信頼性： 平均故障間隔。別名 (MTBF)
- 8) まとめ： 全体的なパフォーマンスレビュー
1) 消費電力
水晶ベースの発振器は、基本振動または高調波振動の利点とシンプルな回路構造を備えているため、消費電力がはるかに低くなります。
対照的に、MEMSベースの発振器は回路が多いため、より多くの電力を消費します。PLLとLCVCOにより総消費電力が増加します。その結果、MEMS発振器は6.09 mAを消費し、標準的な水晶発振器は約3.16 mAを消費します。これは、水晶発振器と同等のジッタおよび位相ノイズ レベルを達成するためにMEMSが必要とする電流の2倍です。
図2: MEMSおよび水晶発振器40 MHzの消費電力測定
2) 発振器の起動特性
電源投入時の発振器の安定性を比較すると、水晶発振器は電源投入後すぐに1 ppmの精度を達成します。一方、MEMS発振器は2 ppmの精度を達成するのに苦労しています。起動後、水晶発振器は安定していますが、PLLとLVCOが安定しようとすると、MEMS発振器の周波数が震えていることがわかります。図に示すように 図3 下に。
今日、これまで以上に、高速起動が重要になっています。消費者向け製品、オートメーション、軍事用途のいずれであっても、今日の電子機器は、バッテリー寿命を延ばしたりシステムをオンラインにしたりするために、電源のオン/オフを切り替える必要があります。必要なときに時計が安定して作動します。ECS Inc. の水晶発振器のように、起動と安定化が速い発振器を使用すると、ウェイクアップ サイクルが短くなり、バッテリー寿命が長くなります。
図3: 発振器起動特性40 MHz
3) ジッタと位相ノイズ
- A) ジッター
私たちは、同等の価格の既製の発振器を選択します。1つはMEMSベースの共振器を備え、もう1つは水晶ベースの共振器を備えています。MEMS発振器のジッタを12 kHzから20 MHzまで測定すると、1.5 pS rmsジッタが測定されます。12 kHz ～ 20 MHzのSONET帯域幅にわたって水晶ベースの水晶発振器をテストすると、0.18 pS rmsジッタが達成されます。これはMEMS発振器よりも約8倍優れています。ECS部品は、多くのアプリケーションで使用され、大量生産されている「標準発振器」であるため、比較対象として選択されました。見る 図4 下に。 - B) 位相ノイズ
実験室での測定では、水晶発振器の位相ノイズはMEMS発振器よりもはるかに優れていることも実証されています。
MEMS発振器は、シリコン共振器の「Q」または品質係数が石英に比べて低いため、低オフセットでは位相ノイズが高くなります。10 Hzでは、水晶発振器の位相ノイズはMEMS発振器よりも36 dB優れています。低オフセットでの位相ノイズは無線通信にとって重要であり、光通信ではエラーを引き起こす可能性があります。MEMS発振器は、PLL回路に低Q LC発振器を使用するため、高オフセット (12 kHz ～ 20 MHz) では位相ノイズも高くなります。
図4: 水晶とMEMSの位相ノイズ性能
MEMS発振器には、分数n分周器によって発生するスプリアスがあります。これらのスプリアスは帯域内で発生し、確定的ジッタ (DJ) を引き起こし、システムのビット エラー パフォーマンスを低下させます。スパーによって誘発されるDJは、有線、光、無線など、あらゆるタイプの回線のジッター バジェットの一部として考慮する必要があります。基本結晶を使用した水晶発振器にはこのようなスプリアスは発生しません。
図5: 比較した発振器の測定ジッタと位相ノイズ
4) 周波数安定性
各発振器の周波数安定性の測定結果を図6に示します。これらの結果は、3.3 V、25°Cで50秒間測定されたものです。MEMSの周波数ジャンプは ±600 ppb程度で、ほとんどの無線規格をはるかに超えています。クォーツベースの発振器はほとんど動きがなく、はるかに安定しています。
図6: 水晶振動子とMEMS発振器の安定性プロット
5) 周波数温度特性
クォーツとMEMSの周波数対温度安定性を比較する場合。水晶ベースの発振器はAT水晶の連続3次曲線に従い、-40℃ ～ +85℃ で ±25 ppmを達成していることがわかります。これはほとんどのアプリケーションで十分な性能です。°°
MEMSプロットを見ると、周波数対温度特性が優れているように見えますが、よく見ると、温度変化を補正するためにPLL分周比が調整されたときに周波数ジャンプが発生することがわかります。これにより、MEMS共振器の大きな周波数ドリフト (30 ppm/°Cまたは3750 ppm -40°C ~ +85°C) を補正するために、大幅な周波数ジャンプが発生します。
クォーツはMEMSよりも温度に対してはるかに安定しており、高い「Q」性能を提供します。水晶ベースの発振器では、必要な温度範囲にわたって10 ppmという低い安定性を維持するために温度補償を使用する必要がありません。 ±より高い安定性が必要な場合は、水晶発振器に温度補償を追加して、温度に対して0.5 ppmという低い安定性を実現できます。
図7: 周波数と温度の関係40 MHz
MEMSテクノロジーは、クォーツ テクノロジーに比べて他の点でも優れていると主張していますが、これらの領域を詳しく調べると、得られるものよりも失うものの方がはるかに多いことがわかります。この世に無料のものなど何もない。
6) 振動感度
MEMSは振動感度の性能向上を主張しています。データを見れば、これはすぐに誤りであることが分かります。標準的な測定範囲は、1レベル未満から2 kHzまで指定されます。2 kHzを超えると振動密度レベルは大幅に低下します。当社では、12 kHz ～ 20 MHzの範囲で位相ジッター積分を測定します。この範囲は、お客様が指定する最大振動レベルよりも大幅に高くなっています。クォーツの形状の改善、より高い周波数のブランク、より優れた製造プロセスにより、クォーツ製造業者はMEMSの振動感度を大幅に向上させました。
- 振動感度の測定単位は、振動1gあたり10億分の1（ppb/g）です。
- A) MEMSの振動感度は0.01ppb/g～1ppb/gの範囲です。
- B) 水晶振動感度は0.1ppb/g～1ppb/gの範囲です。
7) 信頼性（MTBF）
MEMSの平均故障間隔 (MTBF) は130,000年とされていますが、水晶デバイスの場合は30,000年とされています。表面的には、4:1の改善比率は重要な話題のように思えますが、ほとんどの製品が5年未満のライフサイクルで設計されていることを考慮するとそうではありません。通常、長寿命設計のライフサイクルは10年から15年ですが、ごく少数のグループでは20年ほどかかります。MEMSとクォーツを比較した場合、ジッター、位相ノイズ、温度性能のトレードオフが失われるため、現在では膨大なパフォーマンスを犠牲にして、製品の寿命を130,000年まで延ばすことになります。参考までに：人類は20万年前から存在しています。文明はわずか6000年しか続かなかった。3万年もあれば十分であることに、私たち全員が同意できると思います。
8) まとめ
指標1～5の評価結果の概要は以下の通りです。
この比較から、電力、起動、ジッターと位相ノイズ、周波数、温度に対する周波数、振動感度と信頼性といった最も重要なパラメータに関して、クォーツベースの水晶発振器がMEMS発振器よりも優れたパフォーマンスと価値を提供することが明確にわかります。水晶ベースの発振器を使用すると、実証済みのパフォーマンスの優位性が得られ、業界標準のパッケージが提供され、消費者向け、産業用、ネットワーク用など、すべての電子機器の全体的な設計リスクが最小限に抑えられます。水晶発振器は低消費電力で起動が速いため、ハンドヘルドの消費者向けアプリケーションのバッテリー寿命が向上します。優れたジッタおよび位相ノイズ性能は、無線、有線、高速ネットワークおよび通信に最適です。
温度特性に対して優れた周波数安定性を提供し、クォーツはMEMS発振器に固有の不安定な周波数ジャンプの影響を受けません。ここで検討したデータから、より一般的で安定した水晶ベースの発振器と比較して、MEMS発振器を使用することに実質的な利点はないことがわかります。実際、今日のMEMS発振器には独自のパッケージがあります。したがって、MEMSを使用すると、最も重要なタイミング コンポーネントの1つを単一ソースで調達することになります。ECS Inc. Internationalは、市場で最高の周波数制御製品をお客様に提供することに尽力しています。今日では、それは水晶ベースの発振器が提供できる高精度の品質「Q」と安定性を活用することを意味します。