MEMS振蕩器挑戰(zhàn)石英晶體在RF應(yīng)用

除了極少數(shù)例外，所有的電子電路需要一個(gè)振蕩器，也被稱為一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘發(fā)生器，或定時(shí)電路。它的作用是提供“心跳”的處理器，內(nèi)存的功能，通信端口，A / D和D / A轉(zhuǎn)換器(如果有的話)等諸​​多功能。在非關(guān)鍵，低預(yù)算的情況下，如$ 10質(zhì)量市場(chǎng)電子溫度計(jì)，該時(shí)鐘可以從一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻器/電容器(RC)的振蕩器制成。然而，對(duì)于這是更關(guān)鍵的場(chǎng)合絕大多數(shù)，振蕩器是基于一個(gè)石英晶體(圖1)。這是一個(gè)可以支持寬的頻率范圍從kHz到幾百M(fèi)Hz，具有性能跨越相當(dāng)卓越的，這取決于晶體切割，加工，包裝等方面的考慮成熟的(80 +歲)和高效的技術(shù)。

圖1：古老的石英晶體(而不是整個(gè)振蕩器)由標(biāo)準(zhǔn)示意符號(hào)表示; b)該等效電路開(kāi)始所示的簡(jiǎn)化模型中，但可以得到作為操作頻率的增加，復(fù)雜得多。然而，晶體的進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)平臺(tái)，而在計(jì)時(shí)功能的性能，尺寸，成本，和集成的需求正在增加。為了滿足這些需求，一個(gè)新的和破壞性的方法是開(kāi)始染指石英器件，基于硅MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)，該技術(shù)可以提供石英級(jí)性能，并在它適合于許多應(yīng)用的性能和成本的水平。 MEMS器件已經(jīng)高度發(fā)展和大批量用于感測(cè)壓力，運(yùn)動(dòng)，和加速度，以及它們現(xiàn)在正擴(kuò)展到一個(gè)新的角色。上的計(jì)時(shí)功能的要求是在RF應(yīng)用，其中所述振蕩器是不只是為處理器并且其中一個(gè)小的抖動(dòng)是可以容忍的時(shí)鐘特別具有挑戰(zhàn)性。在射頻，它建立基本載體/信道調(diào)諧處幾百M(fèi)Hz而進(jìn)入GHz范圍內(nèi)，以確保A / D和D / A轉(zhuǎn)換器的正確計(jì)時(shí)。對(duì)于轉(zhuǎn)換器，任何抖動(dòng)轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)換器噪聲和失真，因此在RF設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

振蕩器操作

一個(gè)晶體定時(shí)裝置的結(jié)構(gòu)和操作是基于長(zhǎng)期已知壓電原理，由此一個(gè)電信號(hào)誘導(dǎo)應(yīng)力在晶體，并且反之亦然，以及：施加的應(yīng)力使晶體以產(chǎn)生分鐘電壓。通過(guò)使用一個(gè)微小的板坯或坯件石英沿與合適的電路，石英用作調(diào)諧諧振器，以提供對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)精確地間隔的時(shí)鐘信號(hào)。在基于MEMS的裝置，一個(gè)完全不同的方法被使用。在模具芯的蝕刻的硅的作用就像一個(gè)音叉共鳴在期望頻率，而在管芯附加電子電路的管理和放大該時(shí)鐘信號(hào)(圖2)。

圖2：MEMS振蕩器技術(shù)使用一個(gè)版本的音叉狀諧振蝕刻到硅中，加上支持電路。(SiTime公司提供)有幾十個(gè)第一，第二，甚至第三層參數(shù)，用于評(píng)估任何振蕩器，無(wú)論是水晶或其它。所需的最低或最高值取決于應(yīng)用，當(dāng)然，但這些參數(shù)的相對(duì)權(quán)重的設(shè)計(jì)而變化。關(guān)鍵參數(shù)包括額定工作頻率，絕對(duì)精度，衰老相關(guān)的穩(wěn)定性，短期和長(zhǎng)期漂移(溫度系數(shù)和補(bǔ)償)，抖動(dòng)，工作溫度范圍，包裝尺寸，工作電壓，供給靈敏度，功耗，休克/振動(dòng)性，啟動(dòng)時(shí)間，自動(dòng)售貨機(jī)的變化，和成本，舉出幾個(gè)。大多數(shù)這些以不同的方式和不同條件下測(cè)得的合法，這取決于兩個(gè)應(yīng)用要求以及任何歷史背景。

MEMS的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)實(shí)

甲石英晶體基振蕩器從多個(gè)部分，包括持有在包，同時(shí)也提供電觸點(diǎn)(和一些沖擊/振動(dòng)阻力)經(jīng)仔細(xì)切割和拋光石英毛坯，安裝，及在殼體包本身(組裝更多的背景看CTS的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊“水晶時(shí)鐘振蕩器”)。相反，MEMS振蕩器是一個(gè)集成電路，作出標(biāo)準(zhǔn)工藝的CMOS生產(chǎn)線，采用8英寸晶片在大多數(shù)情況下。探測(cè)，微調(diào)和測(cè)試后，器件封裝;再次，就像任何IC。因此，從用于常規(guī)集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)批次技術(shù)和工藝的MEMS裝置的好處。(了解更多的背景上的MEMS振蕩器看到ABRACON產(chǎn)品培訓(xùn)模塊上的ASFLM1系列)?；贛EMS的器件的其他優(yōu)點(diǎn)包括：

•最終器件比石英版本小。這不僅節(jié)省了寶貴的電路板房地產(chǎn)，但它允許定時(shí)裝置被放在更接近它的支持，更好的信號(hào)完整性和降低電磁干擾的設(shè)備。

•該MEMS振蕩器可以具有內(nèi)置在上述沖模，其可用于補(bǔ)償電路從而提高性能對(duì)溫度或電源軌變型有源電路。它也可以被用來(lái)提供完整振蕩器功能，作為既不是石英晶體，也不是MEMS諧振器是由本身就是一個(gè)完整的振蕩器(盡管該術(shù)語(yǔ)通常使用的方式);每一個(gè)需要一些相關(guān)的電路來(lái)驅(qū)動(dòng)的核心要素時(shí)機(jī)和條件/縮放的輸出。許多振蕩器也需要鎖相環(huán)乘以基振蕩器頻率到期望的載波頻率，而這也可以是集成電路的一部分。

•完整的MEMS振蕩器的核心，振蕩電路和接口均功率低于同等石英功能。

•此外，工作完成，以允許共包裝與它在相同的方式，存儲(chǔ)器IC現(xiàn)在堆疊并共同封裝與他們的微控制器或微處理器驅(qū)動(dòng)(如A / D轉(zhuǎn)換器)的集成電路的MEMS裝置的裸片的。這將提供多種好處：更少的電路板房地產(chǎn)需要，簡(jiǎn)化了BOM，提高單的完整性，并經(jīng)過(guò)測(cè)試，保證振蕩器以及轉(zhuǎn)換器的性能，而不關(guān)心PC機(jī)的布局問(wèn)題(這是在RF的GHz范圍內(nèi)具有挑戰(zhàn)性，往往令人沮喪電路)。

考慮到所有這些優(yōu)點(diǎn)外，還有為什么MEMS器件還沒(méi)有取代晶體振蕩器幾個(gè)原因：

•可用MEMS器件的性能可能尚未達(dá)到在特定應(yīng)用中的要求。

•RF設(shè)計(jì)是相當(dāng)謹(jǐn)慎的，因?yàn)槎〞r(shí)功能是如此重要的系統(tǒng)性能。

•當(dāng)晶體有其不足之處和文物，這些都相當(dāng)了解。與此相反，MEMS器件的微妙和變化莫測(cè)剛開(kāi)始被稱為到的RF設(shè)計(jì)人員能夠接受先進(jìn)的設(shè)計(jì)水平。

•新的射頻設(shè)計(jì)通常包含一個(gè)或幾個(gè)新進(jìn)入市場(chǎng)的組成部分，如高性能低噪聲放大器或A / D和D / A轉(zhuǎn)換器，但設(shè)計(jì)人員都不愿意去嘗試太多新的組件。這是關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)管理，有多少不熟悉設(shè)備的設(shè)計(jì)者是舒適使用一次，即使每個(gè)人都是潛在的有利。

•成本當(dāng)然是：作為一種成熟的技術(shù)，液晶廠商已經(jīng)設(shè)法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和體積，使成本降下來(lái)。雖然MEMS器件提供了潛在的成本較低，這對(duì)一個(gè)案件逐案BOM基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷。

MEMS振蕩器成為關(guān)閉的，現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件

一些可用的微機(jī)電系統(tǒng)器件的定時(shí)說(shuō)明這些組件的功能。例如，SiTime的SiT820​​9高頻，超高性能的​​振蕩器(圖3)可訂購(gòu)80.000001和220 MHz之間的任何頻率，精確的6位小數(shù)。對(duì)于過(guò)渡的方便，它被打包為一個(gè)引腳對(duì)引腳插入式替代石英振蕩器，并設(shè)有只有0.5皮秒的超低相位抖動(dòng)，隨著頻率穩(wěn)定度低至±10ppm的。

圖3：SiTime的SiT820​​9提供了非常低的抖動(dòng)，關(guān)鍵的許多通信應(yīng)用;當(dāng)在3.3 V與LVCMOS輸出操作顯示的情節(jié)是相位噪聲在156.25兆赫。 Silicon Labs還提供四大系列(Si501，Si502，Si503，Si504)，其成員在不同的額外功能，具有10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊料轉(zhuǎn)移，負(fù)載牽引，電源變化，工作溫度范圍，振動(dòng)和沖擊性能保證;銷售商聲稱，這是10×媲美石英器件的保證。單元提供32千赫至100兆赫，和頻率穩(wěn)定性的選項(xiàng)之間的任何頻率包括±20，±30和±50ppm的跨商業(yè)(-20?C至70℃)和工業(yè)(-40℃至85 4 C )溫度范圍。四導(dǎo)線裝置(圖4)與間1.71 V至3.63 V.任何供電軌操作

圖4：Si501 / 2/3/4系列由Silicon Labs公司的成員都有相同的基本性能規(guī)格，但不同的附加功能的可用性，如輸出使能和頻率的選擇。從麥克雷爾(圖5)的麥克雷爾MEMS振蕩器單元都可以從2.3至460兆赫操作(DSC1123，例如，具有156.25兆赫的頻率)。典型RMS相位抖動(dòng)低于1皮秒，而穩(wěn)定性為±10訂購(gòu)，±25或±50 ppm的評(píng)級(jí)。該LVDS輸出器件采用2.5×2.0，3.2×2.5，5.0×3.2和7.0×5.0毫米包，以適應(yīng)現(xiàn)有的足跡，并要求2.25至3.6 V電源供電。銷售商聲稱MTF(平均無(wú)故障時(shí)間)比石英器件的20倍。

圖5：麥瑞半導(dǎo)體的DSC單位是“插入式”替代標(biāo)準(zhǔn)的6引腳LVDS石英晶體振蕩器;設(shè)備只在使用使能控制銷的不同?？偨Y(jié)這是很難預(yù)測(cè)到什么程度基于MEMS的定時(shí)裝置將取代已久的基于石英的結(jié)晶單元在RF設(shè)計(jì)，而這種轉(zhuǎn)變需要多長(zhǎng)時(shí)間。毫無(wú)疑問(wèn)，MEMS器件以及未來(lái)在性能，尺寸，成本和包裝潛在美德的好處讓他們以較低的頻率和增加在更高的RF頻譜非常有吸引力的競(jìng)爭(zhēng)。市場(chǎng)研究公司IHS日前預(yù)測(cè)，超過(guò)十億MEMS計(jì)時(shí)單位出貨量將在2016年，主要是為移動(dòng)手持設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品。廠商看機(jī)會(huì)中，MEMS技術(shù)已在大眾市場(chǎng)使用，它在前進(jìn)和成熟，以及用戶歡迎的益處，只要任何折衷 - 這顯然將隨應(yīng)用 - 是可以接受的。