MEMS時(shí)鐘以小體積、高精度正迅速崛起

作者 / 王影 《電子產(chǎn)品世界》編輯(100036)

1 MEMS是時(shí)鐘市場(chǎng)的新勢力

　　據SiTime負責市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的執行副總裁Piyush Sevalia介紹，時(shí)鐘產(chǎn)業(yè)約為60億美元規模，每年的產(chǎn)值成長(cháng)率約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)增速很快。

　　為何MEMS時(shí)鐘的增速更快?Piyush解釋道，半導體的特點(diǎn)是集成度越來(lái)越高，所以可以在單位容積里提供越來(lái)越多的功能和高性能，而且半導體的量產(chǎn)效率較高，一致性也高，所以半導體在很多應用場(chǎng)合取代了舊有的技術(shù)，例如數碼相機的存儲芯片取代了傳統相機的膠卷，電子管、晶體管取代了真空管。以此類(lèi)推，隨著(zhù)應用對環(huán)境因素要求越來(lái)越高，半導體MEMS時(shí)鐘也有很好的發(fā)展機會(huì )。

　　5G、消費電子等是MEMS時(shí)鐘的發(fā)展機會(huì )。

2 5G應用的時(shí)鐘的挑戰

　　隨著(zhù)進(jìn)入5G時(shí)代，移動(dòng)運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)設備需要更嚴苛的時(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，諸如信號塔、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?！　∷圆渴鸺軜嫷倪@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(如圖1)。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。

　　2.1 MEMS相比石英方案的優(yōu)勢

　　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，而且體積更小、性能更高，具有可編程性。

　　據SiTime稱(chēng)，Emerald平臺也是業(yè)界首款MEMS 恒溫振蕩器。OCXO可在時(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)境壓力因素較為敏感，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。這導致了布線(xiàn)復雜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平臺MEMS OCXO消除了這些問(wèn)題，是市場(chǎng)上少有的可以達到3E時(shí)鐘標準的OCXO，外形尺寸僅為9 mm×7 mm，OCXO頻率穩定性達到±5 ppb。

　　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?！盤(pán)iyush先生稱(chēng)，通過(guò)使用可編程模擬架構，Emerald OCXO可提供1~220 MHz范圍內任意頻率，確?？蛻?hù)能為自己的應用選擇最佳頻率。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℃，-40 到 +105℃)和用于系統內編程的 I2C 串行接口。

　　2.2 Emerald為何可以做得很小?

　　原來(lái)的石英諧振子在圖2的鐵殼里，Emerald的諧振子在哪里?

　　如圖3，其中最小的黑點(diǎn)就是SiTime的諧振子，只有0.4 mm×0.4 mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的體積。

　　2.3 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，這意味著(zhù)同樣外界的壓力對它造成的變異能力較小，所以它受外界頻率等環(huán)境的影響較小。由此可見(jiàn)，從體積這個(gè)本質(zhì)上就能解決抗振性的問(wèn)題。

　　2.4 頻率可編程的用途

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

　　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系統的復雜性要求較多時(shí)，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范圍內，因此可以迅速提供不同頻率。

　　第二部分，現在進(jìn)行可編程很方便。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)固定頻率，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，作為其系統設計時(shí)候的一個(gè)參考。第三，還可以讀取OCXO內部的工作狀態(tài)，并做校正。第四，OCXO有老化的問(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該OCXO，以往的方式只能到是現場(chǎng)拆開(kāi)機器更換板子或OCXO。未來(lái)通過(guò)在線(xiàn)編程，工程師可以做遠程校正。這就像手機現在不需要送維修廠(chǎng)，就可以做軟件升級一樣。

3 面向緊湊型消費電子的MEMS時(shí)鐘

　　緊湊型物聯(lián)網(wǎng)和便攜式電子設備需要小面積同時(shí)能延長(cháng)電池壽命的解決方案。時(shí)序器件是這類(lèi)產(chǎn)品運行的關(guān)鍵，但時(shí)鐘源通常需要多個(gè)組件來(lái)滿(mǎn)足消費類(lèi)電子設備的頻率要求，導致較高的電路板空間占用和功耗。

　　2018年11月，Microchip Technology Inc.(美國微芯科技公司)推出了多路輸出MEMS時(shí)鐘發(fā)生器DSC613，據稱(chēng)為時(shí)序組件節省多達80%的電路板空間，靈活的解決方案覆蓋寬頻率范圍，無(wú)需外部晶振，適合要求低功率運行的小型設備，例如數碼相機、智能揚聲器、虛擬現實(shí)(VR)頭盔、流媒體播放棒和機頂盒等。

　　3.1 相比傳統石英晶體時(shí)序的優(yōu)勢

　　Microchip時(shí)序和通信組產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Song Li告訴電子產(chǎn)品世界的記者，與傳統的石英晶體時(shí)序解決方案相比，Microchip的MEMS時(shí)鐘發(fā)生器具有諸多優(yōu)勢，前三大優(yōu)勢如下。

　　第一個(gè)優(yōu)勢是節省電路板空間。DSC613取代了三個(gè)晶體/振蕩器，只需將1.6 mm×1.2 mm的DSC613封裝尺寸與三倍大的2.0 mm×1.6 mm晶體封裝尺寸進(jìn)行比較便可發(fā)現，它至少節省了80%的電路板空間。而在傳統解決方案中，每個(gè)晶體還需要兩個(gè)負載電容，這會(huì )進(jìn)一步占用電路板空間?？傊?，DSC613最多可以取代9個(gè)元件，節省80%以上的電路板空間。

　　第二個(gè)優(yōu)勢是在極寬的溫度范圍內保證ppm穩定性?？蛻?hù)可以訂購溫度范圍為-40至125℃、精度為±20 ppm的DSC613器件。另一方面，石英晶體解決方案還需要匹配電容來(lái)確保初始ppm精度。由于晶體靠近主芯片時(shí)溫度會(huì )發(fā)生變化，晶體ppm將按“S”曲線(xiàn)漂移，這可能導致系統中出現性能和穩定性問(wèn)題。像DSC613這樣的MEMS時(shí)鐘發(fā)生器具有片上溫度補償電路，支持實(shí)時(shí)校正ppm漂移。因此，它可以在非?？拷餍酒瑫r(shí)仍然保持ppm精度。

　　第三個(gè)優(yōu)勢是消除了電路板上的晶體起振問(wèn)題。如果主芯片中的振蕩器電路沒(méi)有足夠的驅動(dòng)強度來(lái)克服晶體的等效串聯(lián)電阻(ESR)，晶體便無(wú)法開(kāi)始振蕩。隨著(zhù)晶體封裝尺寸逐漸減小，ESR急劇增大。如今，客戶(hù)必須使用小型封裝晶體，以便在微型印刷電路板(PCB)上布置更多元件，這提高了發(fā)生晶體起振問(wèn)題的風(fēng)險。MEMS時(shí)鐘發(fā)生器使用匹配的內部振蕩器電路來(lái)驅動(dòng)MEMS諧振器，從而消除了晶體起振問(wèn)題。

　　Microchip有很強的設計，可以自行設計PLL(低功率鎖相環(huán))。DSC613具有兩個(gè)低功耗小數分頻PLL，可產(chǎn)生2 kHz至100 MHz之間的任何頻率。它還支持擴頻時(shí)鐘來(lái)降低EMI。

　　3.2 相比芯片內置時(shí)鐘，外置時(shí)鐘器件的優(yōu)勢

　　一些MCU或SoC等芯片內部已集成了時(shí)鐘，外置時(shí)鐘的好處是什么?

　　這取決于每個(gè)客戶(hù)的應用。由于制造公差的原因，MCU或SoC中集成的時(shí)鐘通常只能支持有限的ppm精度(測量單位為百分比而非ppm)。受芯片內部噪聲的影響，時(shí)鐘抖動(dòng)往往也會(huì )更高。對于需要精確計時(shí)、更快喚醒和高速連接的應用，外部時(shí)鐘是惟一選擇。即使是沒(méi)有上述要求的應用，外部時(shí)鐘仍然可以提供比集成時(shí)鐘更簡(jiǎn)單的時(shí)序解決方案，因為集成時(shí)鐘涉及通過(guò)編寫(xiě)軟件來(lái)配置內部PLL以獲得所需頻率。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。