小器件大創(chuàng )新 CMEMS可編程振蕩器撼動(dòng)石英晶體振蕩器百年“霸業(yè)”

臺灣一個(gè)科學(xué)家做了一個(gè)實(shí)驗：他請了50名志愿者看房間內所有藍色的物體30秒。然后請他們閉上眼睛，問(wèn)他們看到了多少個(gè)紅色、綠色和黃色的物體?這下他們都傻眼了，因為他們只專(zhuān)注藍色的物體，沒(méi)有注意到其它顏色的物體。

其實(shí)，類(lèi)似的情景在每個(gè)人身上幾乎都會(huì )發(fā)生，我們總是習慣性地選擇性忽視一些事物。發(fā)生在電子工程師身上的最新例證就是，CMEMS可編程振蕩器憑借完全集成的、高可靠性的CMEMS(CMOS+MEMS)技術(shù)，實(shí)現了更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度和更短交付周期的單晶片(single-die)振蕩器解決方案。然而，在由石英晶體(XO)解決方案壟斷上百年的頻率控制和定時(shí)產(chǎn)品市場(chǎng)中，工程師的慣性思維使得他們很難將目光從石英晶體振蕩器(XO)移向他的小伙伴CMEMS可編程振蕩器。

“現在，通過(guò)我們的不斷努力，越來(lái)越多的工程師和廠(chǎng)商接受了CMEMS這種時(shí)鐘產(chǎn)品，我們今年CMEMS產(chǎn)品的交貨量預計會(huì )有非常顯著(zhù)的增長(cháng)。”Silicon Labs(芯科實(shí)驗室有限公司)在中國的核心代理商世強產(chǎn)品經(jīng)理Steven Zhang 表示，“我們期待更多工程師能了解CMEMS可編程振蕩器的獨特優(yōu)勢，在更多的應用領(lǐng)域能撼動(dòng)石英晶體振蕩器百年‘霸業(yè)’。”

頻率控制技術(shù)的演進(jìn)

每年30億美元的頻率控制市場(chǎng)已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據了幾十年，幾乎所有類(lèi)型的電子設備都依賴(lài)一小片由機器加工的石英巖的作用去生成至少一種可能的操作頻率。然而，基于石英的頻率控制設計仍有很多限制。例如，他需要更專(zhuān)業(yè)化和復雜生產(chǎn)流程，長(cháng)的、易變動(dòng)的交付時(shí)間(幾周到幾個(gè)月)等。

為了克服石英晶體的這些缺點(diǎn)，在過(guò)去的五年里，微機電系統(MEMS)解決方案開(kāi)始發(fā)展。MEMS技術(shù)最初源于對更小外形尺寸的追求，目前已呈現出其他顯著(zhù)的優(yōu)勢，包括交付時(shí)間、供應穩定性、產(chǎn)品可靠性、器件尺寸和性?xún)r(jià)比等，這些優(yōu)勢使基于MEMS的振蕩器占有部分基于石英的頻率控制市場(chǎng)。如下圖1所示為頻率控制技術(shù)的演進(jìn)。

盡管MEMS諧振器技術(shù)已經(jīng)解決了石英晶體的基本缺陷，但剛剛進(jìn)入競爭激烈的頻率控制市場(chǎng)，它也存在一些缺點(diǎn)。首先，MEMS器件小于石英晶體，所以無(wú)法提供更多能量到振蕩周期。這意味著(zhù)，在相同的頻率下轉換效率低，從而造成信噪比較差。第二，傳統的MEMS材料，例如單晶硅、多晶硅，甚至聚硅鍺，隨溫度變化的漂移顯著(zhù)，這會(huì )帶來(lái)信號完整性和熱滯問(wèn)題。

2010年，Silicon Labs通過(guò)收購一家名為Silicon Clocks的公司，獲得了在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上，實(shí)現完全集成的、高可靠性的CMEMS技術(shù)。“在標準CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢(mèng)想，已經(jīng)由Silicon Labs公司和他們最新推出的Si50x CMEMS振蕩器系列變?yōu)楝F實(shí)。”Steven Zhang 表示。

CMEMS技術(shù)是頻率控制市場(chǎng)的重要技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)結合MEMS和CMOS兩者的最好特性，CMEMS可編程振蕩器能夠為成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費類(lèi)電子應用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。

CMEMS相比XO的優(yōu)勢

相比傳統的石英晶體振蕩器(XO)，Si50x CMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優(yōu)點(diǎn)：

1、針對成本、空間和功耗敏感型應用的通用振蕩器;

2、定制樣片交付時(shí)間少于2周;

3、直接替換晶體振蕩器 (XO) ;

4、在客戶(hù)現場(chǎng)使用現場(chǎng)編程器立即定制樣片;

5、高穩定性和可預見(jiàn)性供應鏈;

6、在全溫度范圍、撞擊、震動(dòng)等環(huán)境下，具有10年的高穩定頻率輸出;

7、性能與XO相比，在震動(dòng)、撞擊、溫度和老化環(huán)境下更可靠。

傳統的石英供應鏈復雜、高成本，且低效率。他們高定制化的制造流程(幾周到幾個(gè)月的交付時(shí)間)不僅增加供應鏈的管理難度，同時(shí)還限制參考振蕩器產(chǎn)生的頻率范圍。隨著(zhù)計算、通信和網(wǎng)絡(luò )裝置的數據速率的增長(cháng)，這種限制對提供高質(zhì)量高頻時(shí)鐘信號時(shí)鐘的合成將產(chǎn)生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡(jiǎn)化了供應鏈。大大縮短交付時(shí)間(小于2周)和從kHz到GHz輸出頻率的無(wú)限可編程性。

“更好的諧振器等于更好的穩定性，CMEMS技術(shù)確保數據手冊中的性能具有10年的頻率穩定性，包括焊接偏移、負載牽引、VDD變化、運行溫度范圍、振動(dòng)和沖擊，并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍。” Steven Zhang說(shuō)。

Si50x在全溫度范圍內具有高穩定的頻率參考，傳統的MEMS諧振器具有-30-40ppm/°C的頻率漂移，而CMEMS頻率漂移 ±1ppm/°C。與其它解決方案相比，溫度穩定性高5-10倍。如下圖3所示，使用經(jīng)典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，Si50x都表現出出色的頻率穩定性。全溫度范圍內具有更可靠的一致性工作性能，增強了目標應用的長(cháng)期穩定性。

此外，Si50x還是高穩定和可靠的振蕩器，與同類(lèi)晶體相比，原子質(zhì)量小于61000倍，這使它不易受撞擊、震動(dòng)、加速度和老化影響。

Si50x強勢替代傳統XO

結合Silicon Labs混合信號的專(zhuān)業(yè)知識，CMEMS技術(shù)可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩定，解決了熱滯或信號完整性問(wèn)題，具有高度耐沖擊和振動(dòng)能力，并具有10年以上的±20ppm頻率穩定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會(huì )成為晶體振蕩器的替代解決方案。

Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品包括針對工業(yè)、嵌入式和消費電子市場(chǎng)的四種可編程芯片，如下圖4所示。每種芯片都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或現場(chǎng)定制。

“Si501/2/3/4是通用XO替代產(chǎn)品，適用于應用需要：低功耗 (1–8mA)、低頻率，LVCMOS時(shí)鐘 (100MHz)、小尺寸 (2.0x2.5mm)、低成本 (~$0.50 10K EAU)、高可靠性(高振動(dòng)，高溫度)、好的消費/嵌入式抖動(dòng)性能 (1.1ps RMS 周期抖動(dòng))的系統中。” Steven Zhang表示。

此外，針對消費類(lèi)、嵌入式和工業(yè)中的通用定時(shí)需求，Si50x不僅是SoCs, CPLDs, mPs, FPGA 數字邏輯的理想時(shí)鐘源，也是消費/嵌入式應用于中數據通路的理想時(shí)鐘源，例如，SAS, SATA, DDR3和PCIe。

“目前世強不推薦將Si50x用于通信應用，因為通信應用通常需要低相位抖動(dòng)(1ps RMS 12kHz-20MHz)， Silicon Labs晶體振蕩器 (Si51x, Si53x, Si59x) 更適用于這種應用。”“但是我們今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖動(dòng)，更高頻率輸出的延續產(chǎn)品可以滿(mǎn)足眾多通訊時(shí)鐘需求。”Steven Zhang強調。

如下圖5所示，Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性?xún)r(jià)對比表。Si50x系列產(chǎn)品完善了Silicon Labs的振蕩器產(chǎn)品系列。Si501/2/3/4系列產(chǎn)品針對工業(yè)、嵌入式和消費類(lèi)市場(chǎng)中低成本、低功耗、通用目的振蕩器。而Silicon Labs的Si51x/9x/3x針對具有高性能、低相位抖動(dòng)需求的通信和數據傳輸應用。

“Si50x振蕩器可提供網(wǎng)絡(luò )定制的2周樣品交付周期，世強的FAE還可以在客戶(hù)現場(chǎng)即刻編程，使用現場(chǎng)編程器進(jìn)行0延時(shí)樣片交付。這種靈活的可編程性，使得Si50x 系列產(chǎn)品可以快速滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊需求。此外，Si50x振蕩器與現有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實(shí)現快速便捷的替換解決方案。” Steven Zhang表示。

應用設計實(shí)例

Si50x應用目標鎖定于工業(yè)安防，變頻伺服等需要超長(cháng)壽命需求，以及數碼相機、存儲和內存、ATM機、POS機和多功能打印機等需要小封裝晶振的領(lǐng)域。能夠可靠和有效的用于典型的目標應用，包括：

l SoC視頻應用處理器 (Roku)

l 10/100快速以太網(wǎng) (SoC NIC/LOM 實(shí)現)

l USB 2.0 (480Mbps)

l USB 3.0 (5Gbps)

l DDR3

l 工業(yè)安防

l 通訊

l 作為眾多MCU的參考時(shí)鐘取代傳統晶振

如下圖7所示，在10/100快速以太網(wǎng)應用中，分別在低抖動(dòng)和低功耗模式下測量Si501 EVB的抖動(dòng)。測試結果顯示，Si501在低抖動(dòng)模式下幾乎與RS高端信號發(fā)生器的隨機抖動(dòng)性能相同，Si501在低功耗模式下抖動(dòng)性能稍有下降，但仍具有可接受的系統抖動(dòng)裕量。所以，Si50x適合作為10/100快速以太網(wǎng)參考時(shí)鐘。

如下圖8所示，在USB 2.0的應用中，對比石英晶體振蕩器，Si501低抖動(dòng)模式和低功耗模式的眼圖抖動(dòng)性測試，所有配置均通過(guò)USB 2.0兼容性測試，Si501性能等于或超過(guò)典型的解決方案，所以Si501適用于作為USB2.0的參考時(shí)鐘。

Steven Zhang 最后特別指出：“Si50x的產(chǎn)品定位就是取代傳統的XO，所以他的價(jià)錢(qián)也和XO相當，客戶(hù)不用擔心用不起。所以，工程師們請不要再囿于自己慣性思維的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS 振蕩器已經(jīng)來(lái)了。”

關(guān)于世強

世強成立于1993年，總部深圳，是包括安華高、瑞薩電子、英飛凌、acam、Rogers、Silicon Labs、Micrel、Littelfuse、NEMICON、EMC RF Labs、EPSON、Flir、安捷倫等在內的全球知名半導體企業(yè)及測試測量?jì)x器公司在大中國區的重要分銷(xiāo)商，同時(shí)也是眾多電子制造和研發(fā)企業(yè)的重要供應商，產(chǎn)品業(yè)務(wù)廣泛覆蓋通信設備、工業(yè)電子、智能四表、汽車(chē)電子、消費電子、智能手機等領(lǐng)域。

作為技術(shù)驅動(dòng)型分銷(xiāo)企業(yè)，世強還擁有成熟的技術(shù)支持團隊和系統的服務(wù)流程，根據需求向客戶(hù)提供新產(chǎn)品推介、快速樣品、應用咨詢(xún)、方案及軟件設計、開(kāi)發(fā)環(huán)境、售后及物流等方面的專(zhuān)業(yè)服務(wù)。

2012年，世強年銷(xiāo)售額1.9億美金，在全國設有17個(gè)分公司和辦事處，擁有員工400余人。

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