自从早期开发以来，抗振动性和可靠性一直是MEMS振荡器的固有优势。 技术上的最新进展，尤其是SiTime的Endura MEMS振荡器系列中采用的基于双MEMS的新型架构，带来了更多优势，例如对快速温度上升的适应性和低相位噪声。 在量化这些好处之前，提供有关DualMEMS™技术和架构的简要概述以说明如何实现这些好处将是有益的。

图8给出了DualMEMS振荡器架构的框图。从框图左侧开始是包括两个MEMS的谐振器和温度传感器。一个谐振器用作温度传感器，利用其相对陡峭但线性的-7 ppm / C°频率与温度斜率的关系。该谐振器是TempSense（TS）谐振器。向下游锁相环（PLL）提供参考时钟的另一个谐振器被设计为具有相对平坦的频率vs.温度斜率，并且是TempFlat™（TF）谐振器。 TF和TS谐振器之间的频率比以30μK的分辨率提供了极其精确的谐振器温度读数。另一个关键特性是TF和TS谐振器之间的紧密热耦合，这是由于它们的100微米小间距以及它们在同一裸片衬底上的制造。这种构造实际上导致TF和TS谐振器之间没有热梯度。仿真显示在热通量下，TF和TS谐振器之间的温度偏移仅为52毫开尔文（m°K）。

图8. Endura DualMEMS框图和优势

相比之下，石英TCXO中的温度传感器集成在位于陶瓷封装基板上石英谐振器下方的IC中，如下图9所示。 石英振荡器结构中温度传感器和谐振器之间的空间分隔导致两个元件之间的热梯度很大，并且在经受快速热瞬变时会引入明显的频率误差。 石英和MEMS之间对快速热瞬态的响应将在本文后面进行量化。

图9. DualMEMS振荡器与石英振荡器的结构（横截面）

温度补偿架构的关键要素是温度数字转换器（TDC）。 如图10所示，该电路块产生的输出频率与TF谐振器和TS谐振器产生的频率之比成正比。 TDC具有30 microKelvin（μ°K）的温度分辨率和高达350 Hz的带宽。 这些功能可实现出色的接近载波相位噪声性能和Allan偏差（ADEV）性能。

当TCXO经受快速的温度瞬变时，TDC的高带宽与TF和TS谐振器之间的紧密热耦合相结合，导致频率误差最小。

图10.温度数字转换器（TDC）

对快速热瞬态的频率响应

图11是一个视频屏幕截图，展示了DualMEMS架构在快速热瞬变期间的优势。当将热风枪同时应用于两种设备时，捕获了此屏幕截图：DualMEMS Super-TCXO和领先石英供应商的±50 ppb载波级TCXO。为响应热风枪刺激，石英TCXO的峰峰值与标称温度之间的偏差高达650 ppb（-450 ppb至+200 ppb），超出其数据表规格的最大9倍。 

DualMEMS Super-TCXO几乎没有引起注意，最大约为3 ppb，并且远低于其100 ppb的规格极限。在瞬息万变的环境条件下，快速的温度瞬变恢复能力对于通信基础设施设备的性能和服务质量非常重要。请注意，Endura Super-TCXO基于SiTime的Elite Platform™的DualMEMS架构，将具有与Elite Super-TCXO相当的性能。观看完整的视频演示，了解对气流，电源电压和小冲击应力等附加应力的比较响应。

空气流动

气流是另一种系统压力源，会导致频率变化，并且是室外设备的潜在压力因素。 由于流出振荡器的热量变化，气流会导致芯片温度变化。 快速，湍流的气流会对从振荡器到环境的热流产生更明显的影响，在极端情况下，会引起振动效果。 图12用1秒至1,000秒的平均时间绘制了气流存在下的艾伦偏差。如图所示，使用1秒至10秒的平均时间，MEMS Super-TCXO的ADEV性能要比石英TCXO高38倍。

艾伦偏差是频率稳定性的时域量度。 ADEV优于标准偏差的主要优点是，它可以针对大多数噪声类型收敛，因此，它广泛用于表征TCXO等精密振荡器的频率稳定性。 出色的ADEV性能对于卫星通信和精密GNSS应用尤其重要，Endura Super-TCXO在这一关键性能指标上表现出色。

电源噪声抑制

除了诸如振动，环境温度变化和气流变化之类的外部环境应力外，还经常存在内部系统应力。例如，电源噪声可能来自附近数据线和开关稳压器的串扰。对于振荡器来说，在电源引脚上存在噪声的情况下保持良好的相位噪声和抖动性能非常重要，以保持良好的系统性能。电源噪声抑制（PSNR）是振荡器对电源噪声的弹性的度量，是在输出中观察到的抖动（以皮秒为单位）除以在电源引脚上注入的正弦确定性抖动的幅度（以毫伏为单位）的比率。通常，正弦抖动以50 mV的幅度注入电源引脚。图13显示了MEMS SiT9346差分振荡器（DE-XO）振荡器与来自六个不同供应商的石英振荡器在20 kHz至40 MHz噪声频率范围内的峰间抖动。

图13. MEMS DE-XO与石英振荡器的电源噪声抑制

如图所示，MEMS振荡器在PSNR方面表现出色。 MEMS器件表现出的低抖动是由于其多个片上低压降稳压器（LDO）隔离了诸如VCO，MEMS振荡器等关键组件的缘故。

应对航空航天和国防应用的时间挑战

在过去的十年中，MEMS振荡器技术得到了显着改善。 改进包括构成高性能振荡器的关键元件：谐振器，温度补偿电路，PLL和用于滤除噪声的片上稳压器。 基于抗冲击和抗振动的内在优势，最先进的MEMS计时技术还提供了一流的动态性能（对系统和环境应力的抵抗力），使其成为应对与之相关的挑战的理想选择 在恶劣环境中部署的设备。 下表1总结了与石英振荡器相比最新的SiTime Endura MEMS技术。

表1. Endura MEMS振荡器优势与石英振荡器的摘要

在可预见的未来，将继续在MEMS计时技术上进行额外的投资和创新，旨在改善相位噪声和频率稳定性，并使基于MEMS的计时成为未来几十年的首选解决方案。