小器件大創(chuàng)新 CMEMS技術(shù)撼動(dòng)XO百年“霸業(yè)”
臺(tái)灣一個(gè)科學(xué)家做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他請(qǐng)了50名志愿者看房間內(nèi)所有藍(lán)色的物體30秒。然后請(qǐng)他們閉上眼睛，問(wèn)他們看到了多少個(gè)紅色、綠色和黃色的物體？這下他們都傻眼了，因?yàn)樗麄冎粚Ｗ⑺{(lán)色的物體，沒(méi)有注意到其它顏色的物體。
其實(shí)，類(lèi)似的情景在每個(gè)人身上幾乎都會(huì)發(fā)生，我們總是習(xí)慣性地選擇性忽視一些事物。發(fā)生在電子工程師身上的最新例證就是，CMEMS可編程振蕩器憑借完全集成的、高可靠性的CMEMS（CMOS+MEMS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度和更短交付周期的單晶片（single-die）振蕩器解決方案。然而，在由石英晶體（XO）解決方案壟斷上百年的頻率控制和定時(shí)產(chǎn)品市場(chǎng)中，工程師的慣性思維使得他們很難將目光從石英晶體振蕩器（XO）移向他的小伙伴CMEMS可編程振蕩器。
“現(xiàn)在，通過(guò)我們的不斷努力，越來(lái)越多的工程師和廠商接受了CMEMS這種時(shí)鐘產(chǎn)品，我們今年CMEMS產(chǎn)品的交貨量預(yù)計(jì)會(huì)有非常顯著的增長(zhǎng)。”Silicon Labs（芯科實(shí)驗(yàn)室有限公司）在中國(guó)的核心代理商世強(qiáng)產(chǎn)品經(jīng)理Steven Zhang 表示，“我們期待更多工程師能了解CMEMS可編程振蕩器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在更多的應(yīng)用領(lǐng)域能撼動(dòng)石英晶體振蕩器百年‘霸業(yè)’。”
頻率控制技術(shù)的演進(jìn)
每年30億美元的頻率控制市場(chǎng)已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據(jù)了幾十年，幾乎所有類(lèi)型的電子設(shè)備都依賴一小片由機(jī)器加工的石英巖的作用去生成至少一種可能的操作頻率。然而，基于石英的頻率控制設(shè)計(jì)仍有很多限制。例如，他需要更專業(yè)化和復(fù)雜生產(chǎn)流程，長(zhǎng)的、易變動(dòng)的交付時(shí)間（幾周到幾個(gè)月）等。
為了克服石英晶體的這些缺點(diǎn)，在過(guò)去的五年里，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）解決方案開(kāi)始發(fā)展。MEMS技術(shù)最初源于對(duì)更小外形尺寸的追求，目前已呈現(xiàn)出其他顯著的優(yōu)勢(shì)，包括交付時(shí)間、供應(yīng)穩(wěn)定性、產(chǎn)品可靠性、器件尺寸和性價(jià)比等，這些優(yōu)勢(shì)使基于MEMS的振蕩器占有部分基于石英的頻率控制市場(chǎng)。如下圖1所示為頻率控制技術(shù)的演進(jìn)。
圖1. 頻率控制技術(shù)的演進(jìn)
盡管MEMS諧振器技術(shù)已經(jīng)解決了石英晶體的基本缺陷，但剛剛進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)激烈的頻率控制市場(chǎng)，它也存在一些缺點(diǎn)。首先，MEMS器件小于石英晶體，所以無(wú)法提供更多能量到振蕩周期。這意味著，在相同的頻率下轉(zhuǎn)換效率低，從而造成信噪比較差。第二，傳統(tǒng)的MEMS材料，例如單晶硅、多晶硅，甚至聚硅鍺，隨溫度變化的漂移顯著，這會(huì)帶來(lái)信號(hào)完整性和熱滯問(wèn)題。
2010年，Silicon Labs通過(guò)收購(gòu)一家名為Silicon Clocks的公司，獲得了在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構(gòu)直接構(gòu)建于標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓上，實(shí)現(xiàn)完全集成的、高可靠性的CMEMS技術(shù)。“在標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢(mèng)想，已經(jīng)由Silicon Labs公司和他們最新推出的Si50x CMEMS振蕩器系列變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”Steven Zhang 表示。
CMEMS技術(shù)是頻率控制市場(chǎng)的重要技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)結(jié)合MEMS和CMOS兩者的最好特性，CMEMS可編程振蕩器能夠?yàn)槌杀竞凸氖芟薜那度胧?、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。
CMEMS相比XO的優(yōu)勢(shì)
相比傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器（XO），Si50x CMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優(yōu)點(diǎn)：
1、針對(duì)成本、空間和功耗敏感型應(yīng)用的通用振蕩器；
2、定制樣片交付時(shí)間少于2周；
3、直接替換晶體振蕩器 （XO） ；
4、在客戶現(xiàn)場(chǎng)使用現(xiàn)場(chǎng)編程器立即定制樣片；
5、高穩(wěn)定性和可預(yù)見(jiàn)性供應(yīng)鏈；
6、在全溫度范圍、撞擊、震動(dòng)等環(huán)境下，具有10年的高穩(wěn)定頻率輸出；
7、性能與XO相比，在震動(dòng)、撞擊、溫度和老化環(huán)境下更可靠。
傳統(tǒng)的石英供應(yīng)鏈復(fù)雜、高成本，且低效率。他們高定制化的制造流程（幾周到幾個(gè)月的交付時(shí)間）不僅增加供應(yīng)鏈的管理難度，同時(shí)還限制參考振蕩器產(chǎn)生的頻率范圍。隨著計(jì)算、通信和網(wǎng)絡(luò)裝置的數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng)，這種限制對(duì)提供高質(zhì)量高頻時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘的合成將產(chǎn)生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈。大大縮短交付時(shí)間（小于2周）和從kHz到GHz輸出頻率的無(wú)限可編程性。
圖2. CMEMS定制樣片交付時(shí)間少于2周
“更好的諧振器等于更好的穩(wěn)定性，CMEMS技術(shù)確保數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能具有10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊接偏移、負(fù)載牽引、VDD變化、運(yùn)行溫度范圍、振動(dòng)和沖擊，并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍。” Steven Zhang說(shuō)。
Si50x在全溫度范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定的頻率參考，傳統(tǒng)的MEMS諧振器具有-30-40ppm/°C的頻率漂移，而CMEMS頻率漂移 《 ±1ppm/°C。與其它解決方案相比，溫度穩(wěn)定性高5-10倍。如下圖3所示，使用經(jīng)典的“魔鬼測(cè)試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，Si50x都表現(xiàn)出出色的頻率穩(wěn)定性。全溫度范圍內(nèi)具有更可靠的一致性工作性能，增強(qiáng)了目標(biāo)應(yīng)用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
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圖3. Si50x抗驟冷驟熱變化能力
此外，Si50x還是高穩(wěn)定和可靠的振蕩器，與同類(lèi)晶體相比，原子質(zhì)量小于61000倍，這使它不易受撞擊、震動(dòng)、加速度和老化影響。
Si50x強(qiáng)勢(shì)替代傳統(tǒng)XO
結(jié)合Silicon Labs混合信號(hào)的專業(yè)知識(shí)，CMEMS技術(shù)可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩(wěn)定，解決了熱滯或信號(hào)完整性問(wèn)題，具有高度耐沖擊和振動(dòng)能力，并具有10年以上的±20ppm頻率穩(wěn)定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會(huì)成為晶體振蕩器的替代解決方案。
Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品包括針對(duì)工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)電子市場(chǎng)的四種可編程芯片，如下圖4所示。每種芯片都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)定制。
圖4. Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品概述
“Si501/2/3/4是通用XO替代產(chǎn)品，適用于應(yīng)用需要：低功耗 （1–8mA）、低頻率，LVCMOS時(shí)鐘 （《100MHz）、小尺寸 （2.0x2.5mm）、低成本 （~$0.50 10K EAU）、高可靠性（高振動(dòng)，高溫度）、好的消費(fèi)/嵌入式抖動(dòng)性能 （1.1ps RMS 周期抖動(dòng)）的系統(tǒng)中。” Steven Zhang表示。
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