MEMS振荡器替代石英晶振的8大理由

2024-01-19 09:24:18 78 9 8

    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。



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    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




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