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使用MEMS Oscillator的八大優(yōu)勢(shì)
來(lái)源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月22
這些年科技水平越來(lái)越發(fā)達(dá),不少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求也隨之增高,MEMS Oscillator是一種性能比較高的振蕩器,因此許多產(chǎn)品工程師要求使用MEMS可編程晶體振蕩器,但是有很多人不明白,為什么要用MEMS Oscillator,比起其他SPXO,TCXO,OCXO,VCXO,VC-TCXO等類(lèi)型振蕩器的優(yōu)勢(shì)在哪里?今天金洛鑫電子收集了一些資料,為大家整理一下,為什么要用MEMS的理由,以及使用MEMS可編程振蕩器的八個(gè)優(yōu)勢(shì).
每個(gè)電子系統(tǒng)都需要一個(gè)計(jì)時(shí)裝置.晶體(XTAL)諧振器通常是首選解決方案.然而,振蕩器將諧振器與振蕩器IC配對(duì)成一個(gè)完整的集成定時(shí)器件,與XTAL相比具有多種優(yōu)勢(shì).MEMS定時(shí)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了這些優(yōu)勢(shì).系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不再需要解決XTAL的局限性,并接受使用晶體設(shè)計(jì)的麻煩和風(fēng)險(xiǎn).
1.即插即用振蕩器簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從表面上看,使用石英晶體的振蕩器設(shè)計(jì)可能看起來(lái)很簡(jiǎn)單,特別是考慮到這項(xiàng)技術(shù)的成熟.但是,當(dāng)將晶體與振蕩器電路匹配時(shí),需要考慮無(wú)數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù).這些參數(shù)包括晶體運(yùn)動(dòng)阻抗,諧振模式,驅(qū)動(dòng)電平和振蕩器負(fù)電阻,它是振蕩器增益的量度.此外,對(duì)于并聯(lián)諧振模式晶體,必須考慮負(fù)載電容,它應(yīng)考慮PCB寄生電容以及振蕩器電路中可能包含的片上集成電容.
必須仔細(xì)考慮所有這些參數(shù),以確保電路的可靠啟動(dòng)和運(yùn)行.由于振蕩器電路要求諧振器與石英晶體振蕩器電路緊密匹配,晶體供應(yīng)商無(wú)法保證晶體的啟動(dòng).相比之下,振蕩器是一個(gè)完全集成的解決方案.振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配,從而減輕了電路板設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān).由于消除了匹配誤差,因此SiTime可以保證振蕩器的啟動(dòng).簡(jiǎn)而言之,振蕩器是一種即插即用的解決方案,可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì).
2.MEMS振蕩器提供更好的質(zhì)量和可靠性
質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要-不僅公司聲譽(yù)受到威脅,而且重新工作可能既昂貴又耗時(shí).此外,在戶外部署并暴露于環(huán)境壓力的系統(tǒng)必須特別堅(jiān)固.石英諧振器雖然是成熟的技術(shù),但涉及相當(dāng)復(fù)雜的制造工藝,其中每個(gè)單獨(dú)的諧振器通常通過(guò)用離子束燒蝕金屬電極來(lái)調(diào)諧到所需的頻率.該步驟在晶體被封裝之前發(fā)生,并使石英晶振易受污染.這個(gè)過(guò)程以及其他石英制造復(fù)雜性導(dǎo)致石英的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)低至1400萬(wàn)到3800萬(wàn)小時(shí).對(duì)于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬(wàn)分率(DPPM)高達(dá)50,對(duì)于二級(jí)石英供應(yīng)商高達(dá)150.
與石英晶體的專(zhuān)業(yè)制造工藝相比,MEMS Oscillator制造商使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體批量模式技術(shù).這包括諧振器和振蕩器IC的晶圓級(jí)生產(chǎn),以及采用塑料封裝的標(biāo)準(zhǔn)引線框架的芯片鍵合.
3.MEMS低頻振蕩器占用的電路板空間減少了65％
振蕩器是完全集成的解決方案,不需要外部組件,如電源去耦電容.SiTime的1.5mmx0.8mm(1508)占位面積比1.6mmx1.2mm的最小石英晶體占位面積小.當(dāng)考慮到32kHz石英晶體所需的負(fù)載電容時(shí),總電路板面積或XTAL解決方案的尺寸要大三倍以上.
4.振蕩器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載,從而降低成本,BOM和電路板空間
振蕩器是一種有源電路,其輸出驅(qū)動(dòng)器通常能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)2到3個(gè)負(fù)載.這使得振蕩器可以取代多個(gè)晶體及其相關(guān)電容,從而進(jìn)一步降低了BOM,系統(tǒng)成本和電路板面積.
5.MEMS振蕩器對(duì)EMI的敏感度要低得多
在大多數(shù)系統(tǒng)中常見(jiàn)的電磁能量可以通過(guò)將晶體諧振器連接到包含有源晶振電路的IC的暴露的PCB跡線來(lái)拾取.該噪聲可以耦合到振蕩器電路并傳遞到輸出,可能會(huì)給系統(tǒng)增加抖動(dòng)和噪聲.然而,集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒(méi)有暴露的PCB連接,并且將MEMS諧振器連接到IC的鍵合線或球非常短.這使得MEMS振蕩器對(duì)EMI的敏感性降低.如下表和曲線圖所示,SiTime振蕩器的靈敏度比晶體諧振器低11.3dBm(線性標(biāo)度為134x).
該測(cè)試按照IEC62132-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,該標(biāo)準(zhǔn)將電磁能注入橫向電磁(TEM)電池,其中安裝了被測(cè)器件(DUT).
6.MEMS振蕩器對(duì)振動(dòng)的敏感性要小得多
抗振性是重要的,因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)經(jīng)常暴露于環(huán)境壓力,尤其是戶外部署的系統(tǒng).風(fēng),重型車(chē)輛和火車(chē)是許多外部振動(dòng)源的幾個(gè)例子.此外,系統(tǒng)通常使用導(dǎo)致振動(dòng)的冷卻風(fēng)扇.這些振動(dòng)應(yīng)力會(huì)在晶體諧振器上引起頻移和噪聲.
某些需要非常穩(wěn)定頻率的系統(tǒng)(例如無(wú)線基站和小型蜂窩)可能會(huì)因振動(dòng)而出現(xiàn)系統(tǒng)故障和服務(wù)中斷.
MEMS振蕩器具有抗振性,因?yàn)镸EMS諧振器的質(zhì)量比石英諧振器的質(zhì)量低約1,000至3,000倍.這意味著施加在MEMS結(jié)構(gòu)上的給定加速度,例如來(lái)自沖擊或振動(dòng),將導(dǎo)致比其石英等效物低得多的力,因此引起低得多的頻移.第5頁(yè)上的圖表顯示,與石英振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器的振動(dòng)靈敏度降低了10倍(更好).請(qǐng)注意,此圖是基于晶振而非無(wú)源晶體諧振器的測(cè)量結(jié)果,但預(yù)計(jì)石英晶體諧振器的結(jié)果可比.
7.MEMS振蕩器隨時(shí)可用
石英供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施具有若干約束條件,這可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的交付周期,大約12至16周甚至更長(zhǎng).一個(gè)限制因素是陶瓷封裝供應(yīng)商數(shù)量有限.另一個(gè)限制因素是頻率選項(xiàng)的有限可用性.對(duì)于石英產(chǎn)品,除非使用可編程鎖相環(huán)(PLL),否則每個(gè)頻率都需要不同的晶體切割.因此,非標(biāo)準(zhǔn)頻率的提前期可能非常長(zhǎng).
與晶體諧振器相比,MEMS諧振器基于標(biāo)準(zhǔn)諧振器配置.通過(guò)將PLL編程為不同的乘法值來(lái)產(chǎn)生MEMS振蕩器的輸出頻率.這使得頻率范圍非常寬,具有六位精度.此外,硅MEMS振蕩器采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝和封裝制造.由于MEMS振蕩器供應(yīng)商利用非常大的半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,因此容量幾乎是無(wú)限
MEMS振蕩器樣本可在一天內(nèi)編程并可用,即使對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)頻率也是如此.通過(guò)使用SiTime晶振的低成本Time MachineII編程器和現(xiàn)場(chǎng)可編程振蕩器,設(shè)計(jì)人員可以在他們的實(shí)驗(yàn)室中立即對(duì)振蕩器進(jìn)行編程,以創(chuàng)建具有任何頻率,任何電源電壓和器件工作范圍內(nèi)任何穩(wěn)定性的器件.生產(chǎn)周期僅為6至8周.
8.整個(gè)產(chǎn)品系列的一項(xiàng)資格
最終用途(系統(tǒng))條件的合格組件會(huì)消耗大量時(shí)間和資源.但是,MEMS振蕩器可以降低認(rèn)證工作量.SiTime產(chǎn)品基于可編程平臺(tái),允許基礎(chǔ)產(chǎn)品系列中的每個(gè)器件產(chǎn)生各種頻率,電源電壓和穩(wěn)定性.例如,如果已經(jīng)投入資源以使特定輸出頻率的SiTime設(shè)備合格并且新的電路板設(shè)計(jì)需要不同的頻率,則現(xiàn)有的資格數(shù)據(jù)可以擴(kuò)展到具有新頻率的部分.
相反,每個(gè)XTAL頻率需要不同的石英毛坯.如果設(shè)計(jì)要求頻率高于60MHz,則通常使用除基模石英之外的其他技術(shù).三次泛音石英晶體通常用于更高頻率.該模式可能引入額外的挑戰(zhàn)以確?？煽康膯?dòng)(即,比基本模式更高的運(yùn)動(dòng)阻抗和不同的振蕩器電路),這需要鑒定.
結(jié)論:盡管存在固有的局限性,晶體幾十年來(lái)一直是電子計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn).與傳統(tǒng)石英晶體諧振器相比,SiTime的微機(jī)電系統(tǒng)振蕩器克服了這些限制,并提供了許多優(yōu)勢(shì).設(shè)計(jì)師不再需要接受XTALs帶來(lái)的頭痛和限制.
用微機(jī)電振蕩器取代XTALs的八大原因是:
1.振蕩器是’即插即用’——更容易設(shè)計(jì),保證啟動(dòng);
2.質(zhì)量和可靠性提高30倍–降低成本,增強(qiáng)穩(wěn)健性;
3.更小的封裝和/或更少的蓋帽–減少印刷電路板面積;
4.驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載,替換2到3個(gè)石英晶體–降低成本、材料清單和印刷電路板面積;
5.對(duì)電磁能量的靈敏度降低高達(dá)134倍,更加堅(jiān)固;
6.對(duì)振動(dòng)的敏感度降低10倍,更加穩(wěn)健;
7.可在任何頻率下提供–非常短的交付周期;
8.一個(gè)MEMS硅晶振產(chǎn)品覆蓋了很大的頻率范圍,減少了鑒定工作.
每個(gè)電子系統(tǒng)都需要一個(gè)計(jì)時(shí)裝置.晶體(XTAL)諧振器通常是首選解決方案.然而,振蕩器將諧振器與振蕩器IC配對(duì)成一個(gè)完整的集成定時(shí)器件,與XTAL相比具有多種優(yōu)勢(shì).MEMS定時(shí)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展了這些優(yōu)勢(shì).系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不再需要解決XTAL的局限性,并接受使用晶體設(shè)計(jì)的麻煩和風(fēng)險(xiǎn).
從表面上看,使用石英晶體的振蕩器設(shè)計(jì)可能看起來(lái)很簡(jiǎn)單,特別是考慮到這項(xiàng)技術(shù)的成熟.但是,當(dāng)將晶體與振蕩器電路匹配時(shí),需要考慮無(wú)數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù).這些參數(shù)包括晶體運(yùn)動(dòng)阻抗,諧振模式,驅(qū)動(dòng)電平和振蕩器負(fù)電阻,它是振蕩器增益的量度.此外,對(duì)于并聯(lián)諧振模式晶體,必須考慮負(fù)載電容,它應(yīng)考慮PCB寄生電容以及振蕩器電路中可能包含的片上集成電容.
必須仔細(xì)考慮所有這些參數(shù),以確保電路的可靠啟動(dòng)和運(yùn)行.由于振蕩器電路要求諧振器與石英晶體振蕩器電路緊密匹配,晶體供應(yīng)商無(wú)法保證晶體的啟動(dòng).相比之下,振蕩器是一個(gè)完全集成的解決方案.振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配,從而減輕了電路板設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān).由于消除了匹配誤差,因此SiTime可以保證振蕩器的啟動(dòng).簡(jiǎn)而言之,振蕩器是一種即插即用的解決方案,可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì).
| 設(shè)計(jì)考慮 | MEMS振蕩器 | 水晶諧振器 |
| 晶體運(yùn)動(dòng)阻抗(ESR) | NO | Yes |
| 用于并聯(lián)諧振的串聯(lián)/并聯(lián)晶體諧振和調(diào)諧電容器 | NO | Yes |
| 振蕩器片上電容,用于正確的頻率調(diào)諧 | NO | Yes |
| 水晶驅(qū)動(dòng)水平 | NO | Yes |
| 振蕩器負(fù)阻 | NO | Yes |
| 保證振蕩器啟動(dòng) | Yes | NO |
質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要-不僅公司聲譽(yù)受到威脅,而且重新工作可能既昂貴又耗時(shí).此外,在戶外部署并暴露于環(huán)境壓力的系統(tǒng)必須特別堅(jiān)固.石英諧振器雖然是成熟的技術(shù),但涉及相當(dāng)復(fù)雜的制造工藝,其中每個(gè)單獨(dú)的諧振器通常通過(guò)用離子束燒蝕金屬電極來(lái)調(diào)諧到所需的頻率.該步驟在晶體被封裝之前發(fā)生,并使石英晶振易受污染.這個(gè)過(guò)程以及其他石英制造復(fù)雜性導(dǎo)致石英的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)低至1400萬(wàn)到3800萬(wàn)小時(shí).對(duì)于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬(wàn)分率(DPPM)高達(dá)50,對(duì)于二級(jí)石英供應(yīng)商高達(dá)150.
與石英晶體的專(zhuān)業(yè)制造工藝相比,MEMS Oscillator制造商使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體批量模式技術(shù).這包括諧振器和振蕩器IC的晶圓級(jí)生產(chǎn),以及采用塑料封裝的標(biāo)準(zhǔn)引線框架的芯片鍵合.
3.MEMS低頻振蕩器占用的電路板空間減少了65％
振蕩器是完全集成的解決方案,不需要外部組件,如電源去耦電容.SiTime的1.5mmx0.8mm(1508)占位面積比1.6mmx1.2mm的最小石英晶體占位面積小.當(dāng)考慮到32kHz石英晶體所需的負(fù)載電容時(shí),總電路板面積或XTAL解決方案的尺寸要大三倍以上.
振蕩器是一種有源電路,其輸出驅(qū)動(dòng)器通常能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)2到3個(gè)負(fù)載.這使得振蕩器可以取代多個(gè)晶體及其相關(guān)電容,從而進(jìn)一步降低了BOM,系統(tǒng)成本和電路板面積.
在大多數(shù)系統(tǒng)中常見(jiàn)的電磁能量可以通過(guò)將晶體諧振器連接到包含有源晶振電路的IC的暴露的PCB跡線來(lái)拾取.該噪聲可以耦合到振蕩器電路并傳遞到輸出,可能會(huì)給系統(tǒng)增加抖動(dòng)和噪聲.然而,集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒(méi)有暴露的PCB連接,并且將MEMS諧振器連接到IC的鍵合線或球非常短.這使得MEMS振蕩器對(duì)EMI的敏感性降低.如下表和曲線圖所示,SiTime振蕩器的靈敏度比晶體諧振器低11.3dBm(線性標(biāo)度為134x).
6.MEMS振蕩器對(duì)振動(dòng)的敏感性要小得多
抗振性是重要的,因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)經(jīng)常暴露于環(huán)境壓力,尤其是戶外部署的系統(tǒng).風(fēng),重型車(chē)輛和火車(chē)是許多外部振動(dòng)源的幾個(gè)例子.此外,系統(tǒng)通常使用導(dǎo)致振動(dòng)的冷卻風(fēng)扇.這些振動(dòng)應(yīng)力會(huì)在晶體諧振器上引起頻移和噪聲.
MEMS振蕩器具有抗振性,因?yàn)镸EMS諧振器的質(zhì)量比石英諧振器的質(zhì)量低約1,000至3,000倍.這意味著施加在MEMS結(jié)構(gòu)上的給定加速度,例如來(lái)自沖擊或振動(dòng),將導(dǎo)致比其石英等效物低得多的力,因此引起低得多的頻移.第5頁(yè)上的圖表顯示,與石英振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器的振動(dòng)靈敏度降低了10倍(更好).請(qǐng)注意,此圖是基于晶振而非無(wú)源晶體諧振器的測(cè)量結(jié)果,但預(yù)計(jì)石英晶體諧振器的結(jié)果可比.
7.MEMS振蕩器隨時(shí)可用
石英供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施具有若干約束條件,這可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的交付周期,大約12至16周甚至更長(zhǎng).一個(gè)限制因素是陶瓷封裝供應(yīng)商數(shù)量有限.另一個(gè)限制因素是頻率選項(xiàng)的有限可用性.對(duì)于石英產(chǎn)品,除非使用可編程鎖相環(huán)(PLL),否則每個(gè)頻率都需要不同的晶體切割.因此,非標(biāo)準(zhǔn)頻率的提前期可能非常長(zhǎng).
MEMS振蕩器樣本可在一天內(nèi)編程并可用,即使對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)頻率也是如此.通過(guò)使用SiTime晶振的低成本Time MachineII編程器和現(xiàn)場(chǎng)可編程振蕩器,設(shè)計(jì)人員可以在他們的實(shí)驗(yàn)室中立即對(duì)振蕩器進(jìn)行編程,以創(chuàng)建具有任何頻率,任何電源電壓和器件工作范圍內(nèi)任何穩(wěn)定性的器件.生產(chǎn)周期僅為6至8周.
8.整個(gè)產(chǎn)品系列的一項(xiàng)資格
最終用途(系統(tǒng))條件的合格組件會(huì)消耗大量時(shí)間和資源.但是,MEMS振蕩器可以降低認(rèn)證工作量.SiTime產(chǎn)品基于可編程平臺(tái),允許基礎(chǔ)產(chǎn)品系列中的每個(gè)器件產(chǎn)生各種頻率,電源電壓和穩(wěn)定性.例如,如果已經(jīng)投入資源以使特定輸出頻率的SiTime設(shè)備合格并且新的電路板設(shè)計(jì)需要不同的頻率,則現(xiàn)有的資格數(shù)據(jù)可以擴(kuò)展到具有新頻率的部分.
相反,每個(gè)XTAL頻率需要不同的石英毛坯.如果設(shè)計(jì)要求頻率高于60MHz,則通常使用除基模石英之外的其他技術(shù).三次泛音石英晶體通常用于更高頻率.該模式可能引入額外的挑戰(zhàn)以確?？煽康膯?dòng)(即,比基本模式更高的運(yùn)動(dòng)阻抗和不同的振蕩器電路),這需要鑒定.
用微機(jī)電振蕩器取代XTALs的八大原因是:
1.振蕩器是’即插即用’——更容易設(shè)計(jì),保證啟動(dòng);
2.質(zhì)量和可靠性提高30倍–降低成本,增強(qiáng)穩(wěn)健性;
3.更小的封裝和/或更少的蓋帽–減少印刷電路板面積;
4.驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載,替換2到3個(gè)石英晶體–降低成本、材料清單和印刷電路板面積;
5.對(duì)電磁能量的靈敏度降低高達(dá)134倍,更加堅(jiān)固;
6.對(duì)振動(dòng)的敏感度降低10倍,更加穩(wěn)健;
7.可在任何頻率下提供–非常短的交付周期;
8.一個(gè)MEMS硅晶振產(chǎn)品覆蓋了很大的頻率范圍,減少了鑒定工作.
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