石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼

作者：時(shí)間：2016-09-12 來源：網(wǎng)絡(luò)

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如果說很多人把MCU或SoC主芯片比喻為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的大腦，那么時(shí)鐘組件當(dāng)之無愧是其心臟。無論是電子工程師還是元器件采購(gòu)者，在選擇時(shí)鐘組件時(shí)都會(huì)經(jīng)過全面嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估。因?yàn)橐活w健康、穩(wěn)定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統(tǒng)的功能和可靠性。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201609/303358.htm

時(shí)鐘組件可分為無源晶振、有源晶振和多輸出時(shí)鐘發(fā)生器三大類產(chǎn)品。在過去60年中，石英作為時(shí)鐘市場(chǎng)的主流技術(shù)，一直占據(jù)著霸主地位。但由于其受到傳統(tǒng)制造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場(chǎng)的壟斷，因此性價(jià)比無法進(jìn)一步提升。為了滿足電子市場(chǎng)對(duì)元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時(shí)鐘組件必須走上全面硅化的道路。這篇文章將主要介紹全硅MEMS振蕩器和傳統(tǒng)石英的區(qū)別，以及全硅IC技術(shù)所解決的問題。

石英和全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的石英振蕩器是由壓電石英加上簡(jiǎn)單的起振芯片和金屬封裝組成的，其生產(chǎn)工藝包括：石英切割鍍銀、購(gòu)買基座、起振芯片，以及將石英及芯片以特殊黏膠結(jié)合后至于基座上，然后充填氮?dú)?，用金屬封裝進(jìn)行密封。而不同頻率、不同工作電壓振蕩器的產(chǎn)生，則是由石英的不同形狀、鍍銀厚度及所佩的起振芯片所決定。所以，從生產(chǎn)工藝角度，石英產(chǎn)業(yè)是一個(gè)人工密集型的半自動(dòng)化傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品也受到傳統(tǒng)原材料和工藝的限制：

1. 復(fù)雜的生產(chǎn)程序?qū)е鹿┴浧诘耐祥L(zhǎng)及缺貨應(yīng)急困難的現(xiàn)象;

2. 不同振蕩器規(guī)格需不同原料不同工藝，從而使成品缺乏靈活性，無法為滿足不同應(yīng)用而進(jìn)行實(shí)時(shí)配置;

3. 壓電石英對(duì)溫度敏感度高的特性，造成石英振蕩器的溫飄煩惱;

4. 石英易碎怕摔老化的弱點(diǎn)需靠生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理來解決，缺乏質(zhì)量和長(zhǎng)期可靠性的一致性。

電子系統(tǒng)廠商為求從根本上解決石英的內(nèi)在弱點(diǎn)，因此在時(shí)鐘組件的選料上開始轉(zhuǎn)向全硅MEMS振蕩器。與傳統(tǒng)石英振蕩器截然不同，MEMS振蕩器采用了全硅的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，有一個(gè)全硅MEMS諧振器和一個(gè)可編程Analog CMOS驅(qū)動(dòng)芯片堆棧，并以標(biāo)準(zhǔn)QFN IC封裝方式完成。

與傳統(tǒng)石英相比，全硅MEMS振蕩器不管從生產(chǎn)工藝還是組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，都更符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的升級(jí)換代。

* 高性能模擬溫補(bǔ)技術(shù)使全硅MEMS振蕩器具有優(yōu)秀的全溫頻率穩(wěn)定性，徹底解除溫飄問題;

* 可編程的平臺(tái)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期提供必要的靈活性;

* 完善的半導(dǎo)體生產(chǎn)鏈可讓全硅MEMS供貨期全面縮短，并提升需求應(yīng)急的能力;

* 全自動(dòng)生產(chǎn)的IC結(jié)構(gòu)在質(zhì)量和可靠性方面有無可置疑的優(yōu)良的一致性。

全硅MEMS振蕩器的全溫性能優(yōu)勢(shì)

頻率穩(wěn)定性，特別是在不同溫度下的穩(wěn)定性，是電子工程師在選擇振蕩器時(shí)考慮的主要參數(shù)之一。因?yàn)槊恳粋€(gè)設(shè)計(jì)，都需要保證系統(tǒng)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)作。而溫飄(頻率隨溫度而顯著變化的現(xiàn)象)則是傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的弱點(diǎn)，難以單純從制造上克服。圖2是石英和全硅MEMS振蕩器在頻率穩(wěn)定性方面的比較。

圖2 全硅MEMS振蕩器25PPM頻率穩(wěn)定性超越石英

圖2的深黑色曲線顯示出一個(gè)工業(yè)級(jí)(-40?C-85?C)石英振蕩器要達(dá)到全溫頻率穩(wěn)定性25PPM在技術(shù)上的難度。從圖中可看到，在高低溫的情況下，石英作為參考時(shí)鐘其設(shè)計(jì)余量較不充分，由此也增加了整體系統(tǒng)在工業(yè)級(jí)全溫產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)行的可能性。

圖2同時(shí)也顯示了各種色彩的平衡線，代表了110個(gè)SiTime全硅MEMS振蕩器在-40?C-85?C范圍內(nèi)的實(shí)際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級(jí)MEMS振蕩器頻率穩(wěn)定性不但可保持在15PPM以下，其曲線更具有線性特征，為系統(tǒng)提供更大的設(shè)計(jì)余量。

正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，從振蕩器設(shè)計(jì)上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時(shí)有了更大的余地。他們可以選擇50PPM 的 MEMS振蕩器來替代很多25PPM的石英，既可滿足系統(tǒng)所需規(guī)格，又可降低成本?；蛘?，他們可采用25PPM的MEMS振蕩器來提升系統(tǒng)總體穩(wěn)定性。

全硅MEMS振蕩器的可編程規(guī)格組合

傳統(tǒng)石英振蕩器的主要規(guī)格參數(shù)如輸出頻率、頻率穩(wěn)定性是由石英切割的形狀、厚度及在加工過程中鍍銀老化等步驟來實(shí)現(xiàn)的。這也決定了石英一個(gè)頻率、一個(gè)工作電壓、一個(gè)頻率穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)一個(gè)料號(hào)的固定頻率的商業(yè)模式。

從圖3也可看到，從技術(shù)角度，高頻率的石英振蕩器一般無法支持1.8V的工作電壓，或25PPM的頻率穩(wěn)定性，因?yàn)閴弘娛⒌幕静ㄕ袷幨窍拗圃?60MHz 以下。60MHz以上的頻率則需利用3次，5次或7次倍頻，再加上過濾電路來實(shí)現(xiàn)，造成有限的規(guī)格選擇和居高不下的成本.

圖3 傳統(tǒng)石英一般只支持常用固定品率和規(guī)格

因此，石英的傳統(tǒng)模式雖有簡(jiǎn)單明了的優(yōu)點(diǎn)，但卻缺乏了現(xiàn)代電子廠商在產(chǎn)品開發(fā)、供貨周期和備貨成本管理上所需要的靈活性。

與石英相比，全硅MEMS振蕩器是由MEMS諧振器和高性能模擬CMOS芯片組成的一個(gè)可編程的時(shí)鐘平臺(tái)，其主要規(guī)格參數(shù)都在設(shè)計(jì)時(shí)整合進(jìn)了CMOS，利用內(nèi)嵌的NVM(非易失性存儲(chǔ)器)來實(shí)現(xiàn)振蕩器參數(shù)即MEMS振蕩器的實(shí)時(shí)配置。