5G為MEMS時(shí)鐘帶來(lái)機遇，SiTime解析OCXO高穩秘訣

　　MEMS時(shí)鐘是時(shí)鐘市場(chǎng)的新勢力。近日，SiTime在京舉辦新聞發(fā)布會(huì )，SiTime負責市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的執行副總裁Piyush Sevalia先生介紹了MEMS時(shí)鐘狀況，及該公司最新產(chǎn)品——面向5G基礎設施推出MEMS時(shí)序方案Emerald 平臺。

　　時(shí)鐘市場(chǎng)及成長(cháng)率

　　時(shí)鐘產(chǎn)業(yè)大概60億美元規模，每年的產(chǎn)值成長(cháng)率大概5%~10%。

　　MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)目前小于5%的份額，但每年的成長(cháng)率高達約70%到80%，可見(jiàn)它的速度增長(cháng)得非?？?，慢慢去滲透進(jìn)整個(gè)時(shí)鐘市場(chǎng)。

　　從半導體歷史進(jìn)程看，半導體的特點(diǎn)是集成度越來(lái)越高，所以可以提供越來(lái)越多的功能，而且半導體的量產(chǎn)效率較高，一致性也比較高，所以半導體在很多應用場(chǎng)合取代了舊的技術(shù)，例如數字存儲芯片取代膠卷和磁帶，晶體管、電子管取代了真空管?！皩τ跁r(shí)鐘產(chǎn)品的技術(shù)，隨著(zhù)應用對環(huán)境因素要求越來(lái)越高，相信傳統石英的技術(shù)沒(méi)辦法跟上，半導體會(huì )慢慢的取代?！盤(pán)iyush稱(chēng)。

　　5G應用的時(shí)鐘的挑戰

　　新興領(lǐng)域為MEMS時(shí)鐘方案帶來(lái)機會(huì )。例如5G市場(chǎng)。

　　隨著(zhù)進(jìn)入5G時(shí)代，移動(dòng)運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)設備需要更嚴格的時(shí)間同步，因此必須使用 OCXO(恒溫振蕩器)。而在5G 之前，這種OCXO 部署在控制良好的環(huán)境中。但是現在和即將到來(lái)的5G時(shí)代，計算、核心網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)拆分成系統，部署在不受控制的環(huán)境中，如信號塔、屋頂和燈柱。在這些環(huán)境下，OCXO 將受到振動(dòng)和極端溫度的影響。

　　所以部署架構的這種變化需要新的思考，相比于其他應用，需要有更低的頻率穩定性、相位抖動(dòng)、短穩(阿倫方差)和小尺寸(如下圖)。

　　這時(shí)，相比于傳統的石英定時(shí)技術(shù)，MEMS解決方案脫穎而出。

　　MEMS相比石英方案的優(yōu)勢

　　據Yole Development統計，在MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)，SiTime占有90%的份額。近日， SiTime宣布推出了面向 5G 基礎設施的MEMS 時(shí)序解決方案--Emerald 平臺，不僅可將 5G 設備部署到任何環(huán)境中的任何地點(diǎn)，包括在惡劣環(huán)境下部署 5G 設備，而且體積更小、性能更高，具有可編程性。

　　據悉，SiTime 的 Emerald 平臺是業(yè)界首款 MEMS 恒溫振蕩器 (OCXO)。OCXO 在時(shí)序中提供頂級性能，是所有通信網(wǎng)絡(luò )可靠運行的關(guān)鍵。

　　然而，基于石英的 OCXO 對諸如振動(dòng)、溫度變化和沖擊等環(huán)境壓力因素極為敏感，客戶(hù)必須采取大量預防措施以確?？煽窟\行。一大難題是 OCXO 的電路板布局。OCXO 在布局時(shí)需要遠離壓力因素，例如熱量和氣流誘發(fā)的熱沖擊。這樣會(huì )導致布線(xiàn)復雜性增加和潛在的信號完整性問(wèn)題。此外，設計人員也嘗試使用專(zhuān)門(mén)的塑封型 OCXO 蓋進(jìn)行熱隔離，但這會(huì )增加制造步驟和生產(chǎn)復雜性。Emerald MEMS OCXO 消除了所有這些問(wèn)題：它們簡(jiǎn)化設計(體積更小)、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、加速營(yíng)收，同時(shí)提升系統性能。具體地，Emerald 平臺例如是唯一可以達到3E時(shí)鐘標準的OCXO，外形尺寸僅為9mm x 7mm(如下圖)，OCXO頻率穩定性達到±5 ppb。

　　照片 MEMS OCXO比石英方案體積更小

　　另外，SiTime還提供可編程性。而傳統石英 OCXO 是從頭定制的產(chǎn)品。它們在特性的可用性方面存在嚴重限制，例如頻率、輸出類(lèi)型、工作溫度和系統內控制?！癝iTime 的 Emerald 平臺 MEMS OCXO 則沒(méi)有這些限制?！盨iTime負責市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的執行副總裁Piyush Sevalia先生稱(chēng)，通過(guò)使用可編程模擬架構，Emerald OCXO 可提供1~220MHz 范圍內任意頻率，確?？蛻?hù)能為自己的應用選擇最佳頻率。此外，該器件還提供 LVCMOS 和限幅正弦波兩種輸出類(lèi)型，以實(shí)現最佳板性能。在不久的將來(lái)，Emerald OCXO 將提供更廣闊的工作溫度范圍(-40 到 +95°C，-40 到 +105°C)和用于系統內編程的 I2C 串行接口。

　　Emerald為何可以做得很小?

　　原來(lái)的石英諧振子在上圖的鐵殼里，SiTime的諧振子在哪里?

　　如下圖，其中最小的黑點(diǎn)就是SiTime的諧振子，只有0.4mm×0.4mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的體積。

　　那么，MEMS為什么抗振性好?

　　人們在用傳統石英做OCXO時(shí)，可能會(huì )遇到一個(gè)很重要的問(wèn)題就是外界的振動(dòng)怎樣解決?因為振動(dòng)會(huì )影響壓力。

　　但是由于SiTime的諧振子非常小，這意味者同樣外界的應力對它造成的變異能力就比較小，所以它受外界頻率等環(huán)境的影響較小。因此可見(jiàn)，從體積/本質(zhì)上就能解決抗振性的問(wèn)題。

　　頻率可編程的優(yōu)勢

　　Emerald平臺是1~220MHz可編程的，這在5G領(lǐng)域有什么樣的應用場(chǎng)景?

　　Piyush分為兩個(gè)部分回答。第一部分，相比固定頻率OCXO，隨著(zhù)未來(lái)5G系統的復雜性要求比較多的時(shí)候，系統工程師可能需要的頻率不在目前市場(chǎng)上找得到的固定頻率可以提供的OCXO。因此1~220MHz的可調頻率，可以根據客戶(hù)未來(lái)的需求，迅速提供不同頻率。

　　第二部分，由于有了I2C在線(xiàn)編程，解放了工程師原來(lái)要靠傳統OCXO供應商給他一個(gè)固定水平，現在工程師通過(guò)I2C數字接口，在系統內部就可以通過(guò)軟件的方式編程O(píng)CXO所需要的一個(gè)頻率。另外，工程師可以通過(guò)I2C接口去讀取OCXO內部的溫度，作為它系統設計時(shí)候的一個(gè)參考。第三，還可以讀取現在OCXO內部工作的一個(gè)狀態(tài)，確定OCXO現在的狀態(tài)是不是OK，還是它有一些狀況，還需要做校正。第四可能是現在都沒(méi)法實(shí)現的，即OCXO有所謂的老化問(wèn)題，如果5G系統安裝到市場(chǎng)上以后，十年以后OCXO的精度變化，系統設備工程師如果要去校正這個(gè)OCXO，現在的方式只能到是現場(chǎng)拆開(kāi)機器更換板子或更換OCXO。通過(guò)在線(xiàn)編程，工程師可以做遠程校正，因此可以節省大量人力做設備更換，這就像手機現在不需要送維修廠(chǎng)，你就可以做軟件更新。

　　耐溫從85℃提升到105℃的方法

　　Emerald的溫度將從85℃提升到105℃，是通過(guò)什么方法提高的?Piyush稱(chēng)，實(shí)際上，MEMS諧振器本身可以工作到200℃。達到105℃，還是通過(guò)電路設計和產(chǎn)品設計。因為半導體本身做105℃不是難事，通過(guò)溫度補償電路以及測試的方式，可以讓這個(gè)產(chǎn)品穩定地工作在105℃。

　　OCXO有一些比較獨特的設計，包括預熱的電路，包括類(lèi)似一個(gè)恒溫箱的東西，它采用了所謂的雙MEMS結構來(lái)做支持，他們內部實(shí)際上就是用SiTime高穩的OCXO，再把整個(gè)系統架構起來(lái)。雙MEMS架構的好處是可以快速地知道溫度的變化，然后進(jìn)行溫度補償。SiTime的OCXO有一個(gè)預熱，預熱是讓整個(gè)內部工作溫度可以快速達到所希望的工作溫度范圍。然后再加上溫度補償的電路，讓整個(gè)可以達到高穩。

　　設計與生產(chǎn)

　　SiTime的核心競爭技術(shù)包含四個(gè)方面： MEMS諧振器;鎖相環(huán)，即混合信號設計的技術(shù);溫度補償技術(shù);封裝技術(shù)。相較于傳統的石英業(yè)界的廠(chǎng)商，石英廠(chǎng)商的上述技術(shù)很多是從外部引進(jìn)。

　　SiTime生產(chǎn)是外包，半導體部分(PLL和溫度補償電路)外包給臺積電，制程0.18微米;MEMS用在德國博世晶圓廠(chǎng)。封裝廠(chǎng)采用半導體產(chǎn)業(yè)鏈標準的IC封裝廠(chǎng)，像日月光、還有馬來(lái)西亞和泰國的工廠(chǎng)。

　　SiTime公司崛起12年

　　SiTime是唯一一家專(zhuān)注在時(shí)鐘領(lǐng)域的MEMS公司，成立12年。已有超過(guò)10億顆產(chǎn)品的出貨。這幾年，SiTime的產(chǎn)品主要專(zhuān)注在通信方面，還有IoT、汽車(chē)方面的時(shí)鐘產(chǎn)品上。

　　SiTime目前為止有超過(guò)三四十個(gè)產(chǎn)品系列。有超過(guò)100項專(zhuān)利，全球有超過(guò)1萬(wàn)家客戶(hù)，涵蓋了200多個(gè)應用。

　　2014年SiTime被日本Megachips并購，成為其子公司，獲得了Megachips財務(wù)支持，SiTime可以成長(cháng)得更快速。2014被并購后，SiTime獲得了5到6倍的成長(cháng)。

　　SiTime從2007年第一個(gè)純硅的諧振子問(wèn)世之后，2011年又開(kāi)發(fā)了全球最小的MEMS的諧振子，2013年開(kāi)發(fā)出全球最小的振蕩器，比當時(shí)在市場(chǎng)上最小的一個(gè)振蕩器，體積減小80%，精確度提高4倍。2015年時(shí)，SiTime推出低功耗的振蕩器，2017年推出所謂高穩產(chǎn)品，今年(2018年)開(kāi)發(fā)出精度更高、可靠性更高的產(chǎn)品，例如Emerald平臺。