每一个电子系统，为了确保其精确运行，都需要一个可靠的计时装置。而石英晶振作为传统的首选解决方案，凭借其稳定性和精确性，赢得了广泛的认可。但如今，与石英晶振相比，将谐振器与振荡器IC集成在一起形成的完整集成计时器件展现出了更多的优势。MEMS振荡器更是在这一领域进一步开拓，克服了传统计时装置的局限性。这使得系统设计人员能够摆脱使用晶体进行设计的繁琐和潜在风险，从而更加专注于创新和优化设计。

1. MEMS振荡器即插即用，系统设计的卓越加速器

    从表面上看，使用石英晶振设计似乎很简单，尤其是考虑到这项技术的成熟度。 但是，在将晶体与振荡器电路匹配时，需要考虑无数的设计参数。这些参数涵盖了晶体运动阻抗、谐振模式、驱动电平以及衡量振荡器增益的负电阻 。此外，还必须考虑并联谐振模式晶体的负载电容，这一电容值受到PCB寄生电容和振荡器电路中可能存在的片上集成电容的影响。

  在考虑振荡器电路的设计时，我们必须慎重对待所有这些参数，以确保电路的可靠启动和运行。由于振荡器电路需要与谐振器紧密匹配，因此晶体供应商无法保证晶体的启动。相比之下，振荡器作为一种完全集成的解决方案，为设计者提供了更大的便利性。振荡器制造商已经将石英晶振与振荡器电路进行了精确匹配，从而减轻了电路板设计者的负担。这不仅简化了设计流程，还消除了匹配错误，确保了MEMS振荡器的顺利启动。简而言之，MEMS振荡器提供了一种即插即用的解决方案，极大地简化了系统设计过程，为设计者带来了更多的灵活性和便利性。

MEMS振荡器消除了设计问题

晶体运动阻抗和振荡器负电阻

  振荡器电路必须有足够的增益和相移才能满足振荡的巴克豪森准则。 特别重要的是晶体的运动阻抗 (ESR) 和振荡器的负电阻（相当于增益）。 如果振荡器的增益不足以克服石英晶振的运动阻抗，则电路可能无法启动。 使用MEMS振荡器可以消除这些问题。

晶体谐振模式、频率调谐电容和片上振荡器电容

  石英晶振可以在串联或并联谐振模式下谐振，但通常只针对这两种模式中的一种进行校准。 如果针对并联谐振进行校准，则它们需要通常指定的特定负载电容。 但是，如果没有使用合适的电容，频率误差可能会超出数据表的规格。 振荡器 IC 可能有也可能没有集成芯片电容，必须将其与来自印刷电路板连接、键合线和振荡器 IC 引线框架的任何寄生电容一起考虑在内，以确保最佳频率精度。

  相比之下，MEMS振荡器将谐振器和振荡器/PLL IC 集成到一个封装中，无需外部电容器来调谐谐振频率。

晶振驱动电平

  必须注意确保振荡器电路不会过度驱动晶体谐振器。 过度驱动谐振器会导致晶体谐振器加速老化，在极端情况下，它会损坏晶体。 相比之下，MEMS谐振器不会老化。

2. MEMS 振荡器 - 质量和可靠性的守护者

  质量与可靠性，不容小觑。公司声誉时刻受其牵制，一旦有失，返工时成本高昂且耗时。而对于那些暴露于户外，饱受环境考验的系统，稳固耐用更是首要之务。尽管石英晶振技术成熟，但制造过程复杂且精密，每个谐振器都需要经过精细的调谐，通常是利用离子束对金属电极进行烧蚀。这一步骤在封装晶体前进行，却易引入污染。此过程及其他石英制造环节的复杂性，使得石英的平均故障间隔时间 (MTBF) 仅达 14 至 3800 万小时。即便是最好的石英制造商，其每百万缺陷率 (DPPM) 也高达 50；而二级石英晶振供应商的缺陷率更是飙升至 150。

  相较于石英晶振的精湛制造工艺，MEMS振荡器制造商采用了标准的半导体批量生产技术。这涵盖了谐振器和振荡器IC的晶圆级制造，以及使用塑料封装与标准引线框架进行芯片绑定。MEMS谐振器芯片由纯硅的单一机械结构精心打造。在MEMS振荡器的制造流程中，我们运用Epi-Seal™工艺对谐振器进行洁净处理，随后沉积多晶硅以密封结构。这种超洁净的气密真空密封技术确保了谐振器结构得到妥善保护，不受任何污染，从而彻底消除了老化机制。

  因此，MEMS振荡器以其卓越的DPPM和MTBF，展现出比石英晶振高出约30倍的可靠性，为技术平台提供了坚实的支撑。它能够从容应对恶劣环境压力，确保为最终用户提供高质量的产品。

3. MEMS低频振荡器 - 减少65%电路板空间，提升设计效率

  MEMS振荡器，这一创新的集成解决方案，无需任何外部电源去耦电容等组件。SiTime的1.5毫米x0.8毫米（1508）规格的MEMS振荡器仅占用如此小巧的电路板空间，其尺寸甚至小于最小的1.6毫米x1.2毫米石英晶振。考虑到32kHz石英晶振所需的负载电容器，与传统的石英晶振解决方案相比，MEMS振荡器将总板面积减少了三分之二以上。

4. MEMS振荡器 - 驱动多负载，降低成本、BOM及电路板空间的优化

     MEMS振荡器是带有输出驱动器的有源电路，通常能够根据驱动强度驱动 2 到 3 个负载。 这允许MEMS振荡器取代多个晶体及其相关电容器，从而进一步减少 BOM、系统成本和电路板面积。

5. MEMS 振荡器 - 降低 EMI 干扰，提升稳定性

   电磁能在大多数系统中很常见，可以通过将晶体谐振器连接到包含振荡器电路的 IC 的暴露 PCB 走线接收。 这种噪声可以耦合到振荡器电路中并传递到输出端，可能会给系统增加抖动和噪声。 然而，集成振荡器在谐振器和振荡器 IC 之间没有暴露的 PCB 连接，并且将 MEMS谐振器连接到 IC 的键合线或焊球非常短。 这使得 MEMS振荡器对 EMI 不那么敏感。 如下表和图表所示，MEMS振荡器的灵敏度比晶体谐振器低 11.3 dBm（线性标度为 134 倍）。

                                   该测试是根据 IEC 62132-2 标准执行的，该标准将电磁能注入安装被测设备 (DUT) 的横向电磁 (TEM) 单元。

6. MEMS 振荡器 - 优越的抗振动性能，保障稳定性

 MEMS振荡器的卓越抗振性能至关重要，因为电子系统时常受到环境压力的侵扰，尤其是那些部署在户外的系统。风、重型车辆以及火车仅仅是众多外部振动源中的几个代表。此外，系统内部通常使用的冷却风扇也会产生振动。这些振动应力会对晶体谐振器产生影响，导致频移和噪声的产生。因此，选择具有高抗振性能的MEMS振荡器对于确保电子系统的稳定运行至关重要。

    一些需要非常稳定的频率的系统，例如无线基站和小基站，可能会因振动而出现系统故障和服务中断。

  MEMS振荡器展现出卓越的抗振性能，其奥秘在于其质量比石英晶体轻约1000至3000倍。这一显著的优势意味着，在承受相同加速度的冲击或振动时，施加在MEMS振荡器结构上的定加速度（例如冲击或振动）将远低于石英晶体，从而大大减少频移现象。与石英晶振相比，SiTime的MEMS振荡器展现出低10倍以上的振动灵敏度，展现出更为优越的性能。请注意，上图是基于石英晶体的测量结果，而非无源晶体谐振器，但我们预计石英晶体的可比结果将与之类似。

7. MEMS 振荡器 - 频率覆盖广泛，1 – 725MHz任意选择

 石英晶振的供应基础设施面临多重挑战，导致提前期漫长，大约为12至16周，甚至更久。其中，陶瓷封装供应商数量有限是一个限制因素。另一个不容忽视的挑战在于频率选项的局限性。对于石英晶振而言，若不借助可编程锁相环(PLL)技术，每个特定频率都需要独特的晶体切割。这无疑增加了非标准频率产品的提前期，使之可能更为漫长。

 与晶体谐振器相比，MEMS谐振器基于标准谐振器配置。 MEMS振荡器的输出频率是通过将 PLL 编程为不同的倍增值来生成的。 这实现了具有六位数精度的非常宽的频率范围。 此外，MEMS 振荡器是使用标准半导体工艺和封装制造的。 由于MEMS 振荡器供应商利用非常大的半导体行业基础设施，因此容量几乎是无限的。

  MEMS 振荡器样品可以在一天内编程完并提供，即使对于非标准频率也是如此。 通过使用 SiTime 的低成本 Time Machine II 编程器和现场可编程振荡器，设计人员可以立即在他们的实验室中对振荡器进行编程，以在设备的工作范围内创建具有任何频率、任何电源电压和任何稳定性的设备。 生产提前期仅为 6 至 8 周。

8. MEMS振荡器 - 全系列资格保证，值得信赖

   针对最终使用（系统）条件的合格组件的认证过程可能会耗费大量时间和资源。然而，MEMS 振荡器的采用却能为认证工作带来简化。SiTime的产品基于可编程平台，这一平台赋予了基本产品系列中的每个设备广泛的频率、电源电压和稳定性。举个例子，假如我们已为某一输出频率的SiTime设备投入了资源进行认证，而新的电路板设计需要不同的频率，那么现有的认证数据便能轻松扩展至具有新频率的部件，从而大大减少了重复认证的需求。

  相较于MEMS振荡器，石英晶振在频率需求上更为复杂。每个XTAL频率需要独特的石英坯料。当设计需求超过60兆赫时，通常需要借助不同于基模石英的技术。而第三次泛音石英晶体常用于更高频率的应用。这一转变引入了新的挑战，为确保可靠启动，需要应对更高的运动阻抗和不同的振荡器电路比例，这无疑增加了资格认证的必要性。

结论

尽管存在一定的局限性，但晶体在过去的几十年中一直是电子计时的主流选择。然而，SiTime的MEMS振荡器成功地克服了这些限制，展现出相对于传统石英晶振的显著优势。这使得设计人员得以摆脱与晶体相关的种种麻烦和限制，为电子计时领域带来了新的可能性和自由度。
MEMS 振荡器代替石英晶振的 8 大理由是：
1、 振荡器“即插即用”——更容易设计，保证启动
2、 质量和可靠性提高 30 倍——降低成本，提高稳健性
3、 更小的封装和无/更少的盖帽——减少了 PCB 面积
4、 驱动多个负载，取代 2 到 3 个石英晶振——降低成本、BOM 和 PCB 面积
5、 对电磁能的敏感性降低高达 134 倍——更稳健
6、 对振动的敏感度降低 10 倍 – 更坚固
7、 可提供1 – 725MHz任何频率 - 非常短的交货时间
8、 MEMS振荡器覆盖了很大的频率范围——减少了认证工作