Si50x CMEMS振蕩器架構

與此相反，CMEMS諧振器采用兩種材料制造：多晶鍺硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如圖7所示，SiO2有一個(gè)與SiGe相反的溫度系數。Si50x諧振器中對這些材料溫度系數的平衡和設計生成個(gè)位數ppm/℃的溫度系數，如圖8所示。這種復合材料補償提供了諧振器的被動(dòng)補償，允許CMOS系統使用更小、更簡(jiǎn)單、更低電能和更高成本效率的電路，以便更精確的補償整個(gè)產(chǎn)品運行生命周期中的頻率漂移。

圖7. 模擬的SiO2和SiGe未補償的溫度系數曲線(xiàn)圖顯示±30-40ppm/℃

圖8. 被動(dòng)補償的SiGe+SiO2諧振器曲線(xiàn)圖（紅線(xiàn)）顯示~1ppm/℃溫度系數

例如，如果諧振器有較大的溫度系數，降低諧振器溫度系數意味著(zhù)來(lái)自溫度傳感器的隨機測量波動(dòng)（噪聲）將按照更小的因數成比例關(guān)系驅動(dòng)頻率鎖環(huán)路（FLL）產(chǎn)生預期的輸出時(shí)鐘。因此，一個(gè)更低功率（高噪聲）的溫度傳感器能夠用于獲得與未補償諧振器相同的性能等級。此外，因為被動(dòng)補償的諧振器的溫度系數與未補償的諧振器（~-1ppm 對 ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的溫度計錯誤幾乎不怎么影響振蕩器系統性能。

Si50x CMEMS系列產(chǎn)品使用被動(dòng)補償諧振器作為其參考頻率。它采用成本優(yōu)化的、低功耗數字FLL架構去產(chǎn)生設備的系統和輸出時(shí)鐘，如圖9所示。FLL使用MEMS參考頻率連同來(lái)自片上數字控制的VCO的分頻信號一起驅動(dòng)頻率比較器，該比較器可生成頻率誤差值并反饋它們給FLL數字環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器累積并進(jìn)一步連同數字溫度補償信息一起處理頻率誤差值，生成數字碼以通過(guò)DAC傳輸到VCO，最終生成目標輸出頻率。

圖9. Si50x CMEMS振蕩器架構和框圖

該器件也使用溫度補償的信息去抵消任何MEMS振蕩器的溫度漂移。為了使FLL產(chǎn)生數字溫度補償信息，振蕩器使用高分辨率、低噪聲溫度傳感器和溫度補償算法。在最終測試中，每個(gè)芯片針對溫度和MEMS諧振頻率對進(jìn)行校準，并把數值存儲在片上存儲器。當溫度變動(dòng)時(shí)，補償電路使用該校準信息去為FLL器件驅動(dòng)相關(guān)的高次多項式。采用CMEMS技術(shù)的單芯片集成電路使得頻率控制系統變得快速和精準。由于整個(gè)系統在密閉的亞微米距離內，因此具有非常緊密的熱耦合特性。

圖10. Si50x CMEMS全溫度范圍內的頻率穩定性

完整的FLL過(guò)程每秒發(fā)生成千上萬(wàn)次，提供全溫度范圍內極好的頻率精確度和穩定度，如圖10所示，振蕩器也提供了這種環(huán)路架構的低功耗版本，它把FLL采樣周期降低到一個(gè)較長(cháng)的周期，并且提供低偏置電路給VCO，這為需要滿(mǎn)足相關(guān)抖動(dòng)規范的應用減少一半以上的功耗。

Si50x振蕩器負荷測試性能

使用CMEMS工藝的器件在整個(gè)生命周期、溫度范圍和各種負荷中提供比其它現有技術(shù)更穩定的振蕩器性能。這些好處將會(huì )減少現場(chǎng)故障，提高整個(gè)生命周期內的系統可靠性，幫助系統免于外部影響，從而獲得更高可靠性。

使用經(jīng)典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，能夠幫助快速驗證CMEMS相關(guān)選項的好處。正如我們之前在圖11和圖12中討論和演示的內容，雙組件的解決方案容易受到熱遲延影響，很難進(jìn)行熱環(huán)境下的系統補償，導致操作頻率有很大偏差。換句話(huà)說(shuō)，單片CMEMS解決方案僅有極小的變化。這在非控制的或非預期的環(huán)境中提供了更好的穩定性。值得注意的是在兩幅圖中通過(guò)閉合的高精度Y軸坐標上展示了Si50x CMEMS振蕩器的變化，而對于傳統的晶體振蕩器和MEMS振蕩器圖來(lái)說(shuō)，由于偏差太大，它們在同樣高精度的Y軸上難以觀(guān)察。

圖11. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器的驟熱測試結果

圖12. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器驟冷測試結果對比

與現有的混合技術(shù)相比，CMEMS長(cháng)期老化性能也很優(yōu)秀。圖13提供了幾個(gè)晶體和MEMS振蕩器與Si50x CMEMS振蕩器的對比圖。在這個(gè)圖中，晶體振蕩器根據MIL-0-5530B在70℃進(jìn)行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃進(jìn)行老化，然后推算到相同時(shí)間。此外，CMEMS芯片對現有的MEMS技術(shù)方法進(jìn)行了相當多的改進(jìn)，為采用CMEMS技術(shù)的系統提供了整個(gè)生命周期內的更高穩定性。

圖13. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測試結果對比

Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品

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，如表1所示。每種芯片都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或現場(chǎng)定制。網(wǎng)絡(luò )定制的樣片可在兩周內交付。芯片也可在客戶(hù)辦公室使用現場(chǎng)編程器電路板進(jìn)行編程，如圖14所示。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。

表1 - Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品概述