基于MEMS定時器取代RF設(shè)計中的石英晶體

除極少數(shù)例外情況外，每個電子電路都需要一個振蕩器，也稱為時鐘，時鐘發(fā)生器或定時電路。它的作用是為處理器，存儲器功能，通信端口，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器(如果有的話)和許多其他功能提供“心跳”。在非關(guān)鍵的低預(yù)算情況下，例如10美元的大眾市場電子溫度計，這個時鐘可以由一個簡單的電阻/電容(RC)振蕩器制成。然而，對于絕大多數(shù)更為關(guān)鍵的情況，振蕩器基于石英晶體(圖1)。這是一種成熟(80年以上)且高效的技術(shù)，可支持從kHz到數(shù)百MHz的各種頻率，性能從優(yōu)秀到卓越，具體取決于晶體切割，制造，封裝和其他考慮因素。

圖1：古老的石英晶體(但不是整個振蕩器)由標準原理圖符號表示; b)等效電路從所示的簡化模型開始，但隨著工作頻率的增加可能會變得更加復(fù)雜。

然而，晶體的進步已達到穩(wěn)定水平，同時對時序功能的性能，尺寸和成本提出了要求，整合正在增加。為了滿足這些需求，一種新的破壞性方法開始侵蝕基于硅MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的石英器件，該技術(shù)可提供石英級性能，并且性能和成本水平適用于許多應(yīng)用。 MEMS器件已經(jīng)高度發(fā)展，大量用于感應(yīng)壓力，運動和加速度，現(xiàn)在它們正在擴展到新的角色。

對射頻應(yīng)用中的定時功能的要求尤其具有挑戰(zhàn)性，振蕩器不僅僅是處理器的時鐘，而且可以容忍一點點抖動。在RF中，它建立了數(shù)百MHz和GHz范圍內(nèi)的基本載波/信道調(diào)諧，以確保A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的正確時鐘。對于轉(zhuǎn)換器，任何抖動都會轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器噪聲和失真，因此是RF設(shè)計中的關(guān)鍵規(guī)范。

振蕩器操作

晶體定時器件的結(jié)構(gòu)和操作基于眾所周知的壓電原理，即電信號在晶體中產(chǎn)生應(yīng)力，反之亦然：施加的應(yīng)力使晶體產(chǎn)生微小的電壓。通過使用微小的石板或石英坯料以及合適的電路，石英作為調(diào)諧諧振器，為整個電子系統(tǒng)提供精確間隔的時鐘信號。

在基于MEMS的器件中，使用完全不同的方法。芯片核心處的蝕刻硅就像一個音叉，它以所需的頻率諧振，而芯片上的額外電子電路則管理和放大這個時鐘信號(圖2)。

圖2：MEMS振蕩器技術(shù)使用蝕刻在硅片中的一種類似音叉的諧振器，以及支持電路。 (由SiTime提供)

有許多第一，第二，甚至第三層參數(shù)用于評估任何振蕩器，無論是晶體還是其他振蕩器。當然，所需的最小值或最大值取決于應(yīng)用，但這些參數(shù)的相對權(quán)重隨設(shè)計而變化。

關(guān)鍵參數(shù)包括標稱工作頻率，絕對精度，老化相關(guān)穩(wěn)定性，短路和長期漂移(溫度系數(shù)和補償)，抖動，工作溫度范圍，封裝和尺寸，工作電壓，電源靈敏度，功耗，抗沖擊/振動，啟動時間，供應(yīng)商變化和成本，引用a少數(shù)。根據(jù)應(yīng)用需求以及任何歷史背景，大多數(shù)這些都是以不同方式和不同條件合法測量的。

MEMS優(yōu)勢和現(xiàn)實

基于石英晶體振蕩器由多個部件組裝而成，包括精心切割和拋光的石英毛坯，將其固定在封裝中的安裝，同時還提供電接觸(以及一些抗沖擊/振動)，以及外殼封裝本身(有關(guān)更多背景，請參閱CTS產(chǎn)品培訓(xùn)模塊“Crystal Clock Oscillators”)。相比之下，MEMS振蕩器是一種IC，采用標準工藝CMOS生產(chǎn)線制造，在大多數(shù)情況下使用8英寸晶圓。在探測，修整和測試之后，該設(shè)備被包裝;再次，就像任何IC一樣。因此，MEMS器件受益于用于傳統(tǒng)IC的批量生產(chǎn)批量技術(shù)和工藝。 (有關(guān)MEMS振蕩器的其他背景，請參閱ASFLM1系列上的Abracon產(chǎn)品培訓(xùn)模塊)?；贛EMS的器件的其他優(yōu)點包括：

最終器件比石英版小。這不僅可以節(jié)省寶貴的PC板空間，而且可以使定時器件更靠近它所支持的器件，以獲得更好的信號完整性和降低EMI。

MEMS振蕩器可以構(gòu)建有源電路在芯片上，可用于補償電路，改善性能與溫度或電源軌的變化。它也可用于提供完整的振蕩器功能，因為石英晶體和MEMS諧振器本身都不是完整的振蕩器(盡管該術(shù)語通常以這種方式使用);每個都需要一些相關(guān)的電路來驅(qū)動核心定時元件并調(diào)節(jié)/縮放輸出。許多振蕩器還需要PLL將基本振蕩器頻率乘以所需的載波頻率，這也可以成為IC的一部分。

完整的MEMS振蕩器內(nèi)核，振蕩器電路和接口功耗較低

此外，正在開展工作以允許MEMS器件芯片與其驅(qū)動的IC(例如A/D轉(zhuǎn)換器)以與存儲器IC相同的方式共同封裝?，F(xiàn)在與他們的微控制器或微處理器堆疊和共同封裝。這將帶來多種好處：需要更少的電路板空間，簡化的BOM，改進的單一完整性，以及振蕩器和轉(zhuǎn)換器的經(jīng)過測試和保證的性能，而無需考慮PC布局問題(這些問題在GHz的RF范圍內(nèi)具有挑戰(zhàn)性且經(jīng)常令人沮喪鑒于所有這些優(yōu)點，MEMS設(shè)備沒有取代晶體振蕩器的原因有幾個：

可用的MEMS器件的性能可能不是這樣的。

RF設(shè)計人員非常謹慎，因為時序功能對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

雖然晶體有缺點和偽影，但這些相當不錯了解。相比之下，MEMS器件的微妙之處和變幻莫測只是開始為RF設(shè)計人員所接受的前沿設(shè)計所知。

新的RF設(shè)計通常包含一個或幾個新產(chǎn)品上市組件，如高性能LNA或A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，但設(shè)計人員不愿意嘗試太多新組件。這是關(guān)于風險管理以及設(shè)計師一次使用多少不熟悉的設(shè)備，即使每個設(shè)備都有潛在的益處。

成本，當然：作為一種成熟的技術(shù)，晶體供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)法帶來了成本通過經(jīng)驗和數(shù)量來降低。雖然MEMS器件具有降低成本的潛力，但這必須根據(jù)具體情況進行評估。

MEMS振蕩器成為現(xiàn)成的標準件

一些可用的MEMS定時設(shè)備說明了這些組件的功能。例如，SiTime SiT8209高頻，超高性能振蕩器(圖3)可以訂購80.000001和220 MHz之間的任何頻率，精確到小數(shù)點后六位。為了過渡方便，它被封裝為石英振蕩器的引腳對引腳直接替代，具有僅0.5 psec的超低相位抖動，以及低至±10 ppm的頻率穩(wěn)定性。此外，SiTime還提供了許多適用于不同應(yīng)用設(shè)計要求的MEMS器件系列。

圖3：SiTime SiT8209提供極低的抖動，至關(guān)重要許多通信應(yīng)用;圖中顯示的是當采用LVCMOS輸出工作在3.3 V時，相位噪聲為156.25 MHz。

Silicon Labs提供四個系列(Si501，Si502，Si503，Si504)，其成員在額外功能方面有所不同，性能保證10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊料偏移，負載牽引，電源變化，工作溫度范圍，振動和沖擊;該供應(yīng)商聲稱這是可比石英設(shè)備的10倍保證。這些單元提供32 kHz至100 MHz之間的任何頻率，頻率穩(wěn)定性選項包括商用(-20°C至70°C)和工業(yè)(-40°C至85°C)溫度范圍內(nèi)的±20，±30和±50 ppm。四引線器件(圖4)可在+1.71 V至+3.63 V之間的任何電源軌上工作。

圖4：Si501的成員Silicon Labs的/2/3/4系列具有相同的基本性能規(guī)格，但輸出使能和頻率選擇等額外功能的可用性不同。

Micrel的Micrel MEMS振蕩器單元(圖5)可以在2.3到460 MHz的頻率下工作(例如，DSC1123的頻率為156.25 MHz)。典型RMS相位抖動低于1 psec，而穩(wěn)定性可訂購±10，±25或±50 ppm額定值。 LVDS輸出器件采用2.5×2.0,3.2×2.5,5.0×3.2和7.0×5.0 mm封裝，適合現(xiàn)有封裝，需要2.25至3.6 V電源。該供應(yīng)商聲稱MTF(平均故障時間)比石英設(shè)備好20倍。

圖5：Micrel的DSC單元是標準6引腳LVDS石英晶體振蕩器的“直接”替代品;器件的不同之處僅在于使能使能控制引腳。

總結(jié)

很難預(yù)測基于MEMS的定時器件將在何種程度上取代歷史悠久的石英基晶體RF設(shè)計中的單位，以及這種轉(zhuǎn)變需要多長時間。毫無疑問，MEMS單元的優(yōu)勢及其在性能，尺寸，成本和封裝方面的未來潛在優(yōu)勢使它們在較低頻率下具有極具吸引力的競爭，并且越來越多地進入更高的RF頻譜。市場研究公司IHS最近預(yù)測，2016年將出貨超過10億個MEMS定時裝置，主要用于手機和消費類電子產(chǎn)品。供應(yīng)商看到了機會，MEMS技術(shù)已經(jīng)在大眾市場中使用，它正在推進和成熟，只要任何權(quán)衡 - 顯然會因應(yīng)用而變化 - 用戶都可以接受，用戶就會受益。