本文描述了定时器件的基本要求，并列出了适合不同应用的振荡器类别。表1比较了硅MEMS和石英振荡器的性能，其中考虑到了上一部分讨论的许多参数。在这一部分，我们将更加详细地讨论高性能振荡器需要考虑的几个重要因素：温度响应、频率控制以及降低EMI要求。另外还会讨论电路板设计、产品交货时间和成本等实用性因素。

表1:硅MEMS和石英振荡器的比较。

　　温度补偿

　　谐振器会因为温度变化而热胀冷缩，从而影响到它们的谐振频率，因此温度补偿对要求严格应用中的振荡器性能来说非常重要。虽然石英具有非常低的热膨胀系数，但由于温度改变造成的变化仍然是影响石英振荡器频率稳定度的主要因素。在不加温度补偿的情况下，固定频率石英振荡器的总体频率稳定度是±20ppm至±50ppm（见图1）。

　　硅的热膨胀系数要比石英高1个数量级，因此温度补偿要放在MEMS振荡器的振荡电路中。MEMS振荡器采用了一种温度数字转换器（TDC），它能自动校正由于温度变化导致的振荡器频率变化。由于所有温度补偿功能都集成在现有振荡器电路内，因此不需要额外元件。

　　如图1所示，SiTime的±25ppm额定值MEMS振荡器与±25ppm额定值石英振荡器相比具有更好的低温和高温余量。MEMS温控晶体振荡器适合要求更高频率稳定度的应用。一般来说，与MEMS晶体振荡器相比，MEMS温控晶体振荡器具有更加复杂和更高性能的补偿电路，还需要更高阶的校准算法以及更广泛的测试。

图1:在标准工业温度范围内SiTime公司的±25ppm额定值MEMS晶体振荡器和±25ppm额定值石英晶体振荡器的频率稳定度。

　　电信和网络应用的稳定性问题

　　电信应用要求特别稳定的本地时钟，而且在参考时钟暂时失效时还要保持稳定。例如当系统不能与GPS卫星通信时，内部定时电路需要提供24小时至48小时的保持状态。

　　将时钟保持在恒定的温度是达到这些应用所要求的频率稳定性的一种方法。基于石英的温控晶体振荡器（TCXO）实现这一目标的方法之一是增加被称为炉温补偿的本地温度环境。炉温选择在晶体的频率与温度曲线上的一个平坦点，以进一步提高频率稳定性。这种方法非常有效，频率稳定度能达到0.05至±0.5ppm数量级，但加热腔占用了宝贵的电路板空间，而且需要消耗额外的功耗。另外一个缺点是加热器在器件上电后需要延迟一段时间才能达到稳定状态的温度。

　　不用加热腔也可以满足超高精度频率稳定度的要求。MEMS技术经过了长足的发展，已经无需增加炉温补偿就能达到OCXO等级的性能。这种振荡器不采用物理性加热方法，而是由温度补偿电路的先进架构加上更加复杂的校准算法与测试来达到同样等级的频率稳定度，就好像振荡器保持在恒温状态一样。图2显示了这种振荡器在-40℃至+85℃温度范围内的频率稳定性。

图2:硅MEMS温度补偿晶体振荡器（TCXO）的稳定性。

　　精调频率

　　输出频率随着输入电压改变的压控振荡器（VCXO）允许对频率进行精细调整，从而提高电信、宽带和其它应用中的时钟同步性能。控制电压通常是由模拟电路控制的。而MEMS振荡器具有额外的数字电压控制选项，因此对输入电压的控制更加容易。

　　频率可以在有限的输入电压范围内进行控制，而频率能够被牵引的程度受限于振荡器的频率稳定性。更高的频率稳定度可以提供更大的牵引范围（APR）。石英振荡器的牵引范围一般为±200ppm,而MEMS振荡器的牵引范围可以高达±1600ppm.

　　理想情况下，输出频率随供电电压呈线性变化，但振荡器实际上并不呈完全线性响应。与线性值相比的任何偏离都会导致KV的变化，即频率与电压曲线斜率的变化。由于KV会影响重要的PLL性能参数，例如带宽和相位余量，而这些参数的任何变化都会使PLL设计复杂化。线性度定义为偏离直线的百分比，石英振荡器的线性度一般在5%至10%,而MEMS振荡器的线性度不超过1%.

　　降低EMI

　　由电磁干扰（EMI）引起的噪声对电子应用来说是个很大的问题。例如在移动计算环境中，由于使用了密度非常高的电路板，辐射和传导电磁干扰可能导致系统无法通过环境一致性测试（比如FCC A类或B类测试）。如果PCB没有针对电磁干扰一致性进行优化，那么由振荡器产生的谐波分量可能成为有害电磁干扰的主要。屏蔽可以减少电磁干扰，但成本昂贵，对便携式设备来说并不可行。

　　滤波是另外一种选择，但要求改变设计甚至电路板版图，这样会延迟产品的发布。如果在设计周期晚期才发现电磁干扰问题，这种代价是非常高昂的。一种解决方案是用可编程的扩频MEMS振荡器（SSXO）代替原来的振荡器。这种方法无需昂贵的电路板设计就可以减少振荡器产生的辐射能量，因为新的振荡器可以直接替换现有元件。许多微处理器、微控制器和存储器应用都使用SSXO.

　　SSXO的工作原理是利用一个三角波缓慢地调制时钟输出频率来达到降低峰值频谱能量的目的。调制频率典型值在30kHz左右。在更宽范围内扩展能量有两种选择，一种是中心扩展模式（频率的±0.25%至±2.0%），一种向下扩展模式（-0.5%至-4.0%）。扩展能量谱可以显着减小峰值幅度，这可以从图3所示的标准MEMS振荡器和SSXO在采用-2%向下扩展模式时的频谱图中看出来。这种峰值能量幅度抑制不仅应用于时钟的基频，还可延伸至谐波，从而有效地降低振荡器输出的所有分量产生的电磁干扰。由于电磁干扰减少量正比于频率，因此与基频相比，更高频率的谐波表现出更大的电磁干扰衰减。然而，由于能量的扩展，SSXO不能用于某些特定应用，比如无线和高数据速率串行I/O.

图3:扩展频谱时钟的噪声抑制优势。

　　实用性设计考虑

　　系统每个元件的性能都很重要，但总体电路板版图也很重要。在典型的MEMS振荡器封装中，谐振器裸片放在振荡器IC的顶上，并与绑定线连接。使用MEMS振荡器的一个重要优势是，它们可以提供许多标准的塑料封装尺寸，包括2.5x2.0、3.2x2.5、5.0x3.2和7.0x 5.0mm.这给设计师选择适合电路板设计的封装提供了很大的灵活性。

　　如果用MEMS振荡器来代替原有设计中的石英振荡器，选择匹配石英振荡器外形的封装。如果重新设计的目标是要缩小整块电路板的尺寸，或者如果其它元件的设计更改限制了振荡器可用的空间大小，那么可以换成更小封装的MEMS振荡器，同时保持甚至提升性能和功能。

　　有一些应用要求超薄封装，石英振荡器可能太高了，无法安装进要求的外形尺寸内，标准MEMS振荡器可能也会遇到这种情况。满足高度限制的一种方法是选择将谐振器附属在振荡器IC旁边而不是顶上的MEMS振荡器设计。这种设计可以安装进高度仅0.25mm的封装中，相比之下标准塑料封装要求0.75mm的高度。

　　产品交货时间

　　虽然设计师主要强调元件的性能和功能集，但考虑元件的可用性也很重要，因为这会影响到终产品的上市时间。例如，振荡器元件的交货时间取决于振荡器类别和想要的功能。

　　石英晶体振荡器需要针对想要的特定频率进行精密切割。制造商存放所有可能频率的产品既不实际，也不具成本效益，因此他们一般是库存有限数量的标准频率晶体。找到一家保存有目标频率晶体、而且相位噪声、工作电压和封装尺寸满足你要求的制造商是有可能的。在这种情况下，交货时间相当短，但可能仍然需要从多家供应商采购整个系统需要的所有振荡器。

　　如果你的振荡器指标要求不能匹配库存产品，那就有必要购买定制的振荡器。由于确定工作频率的切割步骤必须在石英振荡器制造工艺开始前完成，因此整个过程不能在收到定单后才开始。交货时间一般需要6周到16周。由于MEMS振荡器使用相同的谐振器，并且频率可以通过CMOS振荡器芯片编程，所以交货时间要短得多。MEMS振荡器的制造商可以通过产品配置满足客户要求，产品交货时间一般在2周至5周之间。

　　成本

　　对于没有严格要求并且能够使用现成石英振荡器的应用来说，前期元件成本是很低的。然而，如果振荡器需要专门定购，那就会增加成本，高性能特性的增加也是如此。对于石英振荡器来说尤其是这样。因为MEMS振荡器是可编程的，它们不需要额外的处理步骤，也不需要使用元件增加功能，因此边际成本要低得多。

　　振荡器元件的前期成本并不是影响总成本的因素。如果原型的初始测试指示需要增加振荡器功能来提高定时性能，而新的振荡器可以直接替代原有元件，那就能使过程流水线化，并节省费用。这样可以地减小重新设计电路板以适应不同尺寸振荡器的需求。

　　本文小结

　　在选择定时元件时需要考虑许多因素。对高性能应用来说，只是选择到合适的频率是不够的。考虑振荡器在期望工作温度范围内的性能以及振荡器将如何影响总体抖动预算也很重要。诸如温度或电压补偿、扩展频谱或多频设计等特殊功能足以提升性能，而且增加的成本是值得的。，定时元件需要满足电路板版图提出的空间约束要求，并且要在不负面影响产品发布的时间内供货。基于MEMS的振荡器可以经过编程提供种类广泛的特性，从而使得为任何应用选择到合适的定时器件成为可能。