石英和可編程全硅MEMS振蕩器大比拼

如果說很多人把MCU或SoC主芯片比喻為現代電子系統的大腦，那么時鐘組件當之無愧是其心臟。無論是電子工程師還是元器件采購者，在選擇時鐘組件時都會經過全面嚴謹的評估。因為一顆健康、穩(wěn)定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統的功能和可靠性。

時鐘組件可分為無源晶振、有源晶振和多輸出時鐘發(fā)生器三大類產品。在過去60年中，石英作為時鐘市場的主流技術，一直占據著霸主地位。但由于其受到傳統制造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場的壟斷，因此性價比無法進一步提升。為了滿足電子市場對元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時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振蕩器和傳統石英的區(qū)別，以及全硅IC技術所解決的問題。

石英和全硅MEMS時鐘振蕩器簡介

傳統的石英振蕩器是由壓電石英加上簡單的起振芯片和金屬封裝組成的，其生產工藝包括：石英切割鍍銀、購買基座、起振芯片，以及將石英及芯片以特殊黏膠結合后至于基座上，然后充填氮氣，用金屬封裝進行密封。而不同頻率、不同工作電壓振蕩器的產生，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，從生產工藝角度，石英產業(yè)是一個人工密集型的半自動化傳統產業(yè)，其產品也受到傳統原材料和工藝的限制：

1. 復雜的生產程序導致供貨期的拖長及缺貨應急困難的現象;

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，無法為滿足不同應用而進行實時配置;

3. 壓電石英對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需靠生產工藝和質量管理來解決，缺乏質量和長期可靠性的一致性。

電子系統廠商為求從根本上解決石英的內在弱點，因此在時鐘組件的選料上開始轉向全硅MEMS振蕩器。與傳統石英振蕩器截然不同，MEMS振蕩器采用了全硅的產品結構，有一個全硅MEMS諧振器和一個可編程Analog CMOS驅動芯片堆棧，并以標準QFN IC封裝方式完成。

與傳統石英相比，全硅MEMS振蕩器不管從生產工藝還是組件設計結構上，都更符合現代電子產品的標準，也是對傳統石英產品的升級換代。

* 高性能模擬溫補技術使全硅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;

* 可編程的平臺為系統設計和縮短新產品開發(fā)周期提供必要的靈活性;

* 完善的半導體生產鏈可讓全硅MEMS供貨期全面縮短，并提升需求應急的能力;

* 全自動生產的IC結構在質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

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考慮的主要參數之一。因為每一個設計，都需要保證系統在整個工作溫度范圍內正常運作。而溫飄(頻率隨溫度而顯著變化的現象)則是傳統石英產品的弱點，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工業(yè)級(-40?C-85?C)石英振蕩器要達到全溫頻率穩(wěn)定性25PPM在技術上的難度。從圖中可看到，在高低溫的情況下，石英作為參考時鐘其設計余量較不充分，由此也增加了整體系統在工業(yè)級全溫產生不穩(wěn)定運行的可能性。

圖2同時也顯示了各種色彩的平衡線，代表了110個SiTime全硅MEMS振蕩器在-40?C-85?C范圍內的實際總頻差。與石英振蕩器相比，這些工業(yè)級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，為系統提供更大的設計余量。

正由于全硅MEMS振蕩器利用溫度補償的技術，從振蕩器設計上解決了石英溫飄的煩惱，因此電子工程師在選料時有了更大的余地。他們可以選擇50PPM 的 MEMS振蕩器來替代很多25PPM的石英，既可滿足系統所需規(guī)格，又可降低成本。或者，他們可采用25PPM的MEMS振蕩器來提升系統總體穩(wěn)定性。

全硅MEMS振蕩器的可編程規(guī)格組合

傳統石英振蕩器的主要規(guī)格參數如輸出頻率、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現的。這也決定了石英一個頻率、一個工作電壓、一個頻率穩(wěn)定性對應一個料號的固定頻率的商業(yè)模式。

從圖3也可看到，從技術角度，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，因為壓電石英的基本波振蕩是限制在 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現，造成有限的規(guī)格選擇和居高不下的成本.

圖3 傳統石英一般只支持常用固定品率和規(guī)格

因此，石英的傳統模式雖有簡單明了的優(yōu)點，但卻缺乏了現代電子廠商在產品開發(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芯片組成的一個可編程的時鐘平臺，其主要規(guī)格參數都在設計時整合進了CMOS，利用內嵌的NVM(非易失性存儲器)來實現振蕩器參數即MEMS振蕩器的實時配置。

圖4 全硅ME振蕩器平臺提供不同頻率，電壓和PPM的組合

圖4展示了SiTime 的SiT9102差分振蕩器的靈活性，同一個基本料號可通過編程來實現不同參數規(guī)格組合。

除圖中所示，SiT9102還可通過編程方式達到民用級(0?C-70?C)、超民用級(-20?C-70?C)或工業(yè)級(-40?C-85?C)等不同工作溫度，以及一般高頻振蕩器無法支持的10PPM頻率穩(wěn)定性。

SiT9102高度的靈活性，使電子工程學在系統設計中不但無需再為振蕩器規(guī)格不全而束縛，更可同過嘗試不同規(guī)格，實現最佳組合，來提高系統整體性能和穩(wěn)定性。