使用MEMS Oscillator的八大優(yōu)勢(shì)
來源：http://m.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月22
這些年科技水平越來越發(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)的諧振器通常通過用離子束燒蝕金屬電極來調(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1400萬到3800萬小時(shí).對(duì)于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬分率(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)中常見的電磁能量可以通過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),重型車輛和火車是許多外部振動(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.通過將PLL編程為不同的乘法值來產(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)以確保可靠的啟動(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)的諧振器通常通過用離子束燒蝕金屬電極來調(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1400萬到3800萬小時(shí).對(duì)于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬分率(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)中常見的電磁能量可以通過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),重型車輛和火車是許多外部振動(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)以確保可靠的啟動(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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