MEMS振荡器替代石英晶振的8大理由

2024-01-19 09:24:18 108 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。



top-8-reasons-to-use-oscillators.jpg

1. 即插即用振荡器简化系统设计 


从表面上看,使用石英晶体的振荡器设计可能看起来很直接,特别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,有无数的设计参数需要考虑。这些参数包括晶体的运动阻抗、谐振模式、驱动电平以及作为振荡器增益度量的振荡器负电阻。此外,对于并联谐振模式的晶体,必须考虑负载电容,并且应考虑 PCB 寄生电容以及可能包含在振荡器电路中的片上集成电容。


所有这些参数都必须仔细考虑,以确保电路可靠启动和运行。由于振荡器电路要求谐振器与振荡器电路紧密匹配,晶体供应商无法保证晶体的启动。相比之下,振荡器是一个完全集成的解决方案。振荡器制造商将石英谐振器与振荡器电路进行匹配,从而减轻了电路板设计人员的这一负担。由于消除了匹配误差,SiTime 保证了振荡器的启动。简而言之,振荡器是一种即插即用的解决方案,极大地简化了系统设计。


MEMS 振荡器消除的设计问题 


晶体运动阻抗和振荡器负电阻


振荡器电路必须具有足够的增益和相移,以满足巴克豪森振荡准则。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谐振器的运动阻抗,电路可能无法启动。使用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


石英晶体可以串联或并联谐振模式谐振,但通常仅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,则需要特定的负载电容,通常会有规定。然而,如果未使用适当的电容,频率误差可能会超过数据手册规格。振荡器 IC 可能具有也可能不具有集成芯片电容,必须与印刷电路板连接、键合线和振荡器 IC 的引线框架的任何寄生电容一起考虑,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 集成在一个封装中,无需外部电容来调谐谐振频率。  


晶体驱动电平


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,还可能损坏晶体。相比之下,MEMS 谐振器不会老化。


design-consideration-1.jpg


2. MEMS 振荡器提供更出色的质量和可靠性


质量和可靠性至关重要——不仅公司声誉面临风险,而且返工可能成本高昂且耗时。此外,部署在户外并暴露于环境压力下的系统必须特别坚固。石英谐振器虽然是一项成熟的技术,但涉及一个相当复杂的制造过程,其中每个单独的谐振器通常通过用离子束烧蚀金属电极来调谐到所需频率。此步骤在晶体封装之前进行,导致谐振器容易受到污染。这个过程以及其他石英制造的复杂性导致石英的平均故障间隔时间(MTBF)低至 1400 万至 3800 万小时。对于最好的石英制造商,每百万缺陷数(DPPM)高达 50,对于二线石英供应商则高达 150。


与石英晶体的专门制造工艺相比,MEMS 振荡器制造商使用标准的半导体批量模式技术。这包括在晶圆级生产谐振器和振荡器 IC,以及将芯片绑定到带有塑料封装的标准引线框架上。SiTime MEMS 谐振器芯片由纯硅的单一机械结构制成。在 SiTime MEMS 的制造过程中,使用 Epi-Seal 工艺清洁谐振器,之后沉积多晶硅来密封结构。超清洁的密封真空密封确保谐振器结构受到保护且无污染,消除了老化机制。


因此,SiTime 振荡器的 DPPM 和 MTBF 比石英晶振好约 30 倍,为终端用户提供了一个非常可靠的技术平台,能够承受恶劣的环境压力并提供高质量的产品。


mean-time-between-failure-1.jpg

mean-time-between-failure-2.jpg


3. MEMS 低频振荡器节省 65%的电路板空间


振荡器是一个完全集成的解决方案,不需要诸如电源去耦电容等外部组件。SiTime 的 1.5 毫米 x 0.8 毫米(1508)占位面积小于最小的石英晶体占位面积 1.6 毫米 x 1.2 毫米。并且当考虑到 32kHz 石英晶体所需的负载电容时,XTAL 解决方案的总电路板面积超过三倍。


SiTime-vs-Xtal-board-space.jpg


4. 振荡器可以驱动多个负载,降低成本、物料清单(BOM)和电路板空间


振荡器是一个有源电路,其输出驱动器通常能够根据驱动强度驱动 2 到 3 个负载。这使得振荡器能够取代多个晶体及其相关电容器,进一步减少 BOM、系统成本和电路板面积。


image.jpeg


5、MEMS 振荡器对电磁干扰(EMI)敏感度低得多


电磁能量在大多数系统中很常见,它可以被连接晶体谐振器和包含振荡器电路的 IC 的暴露 PCB 走线拾取。这种噪声可以耦合到振荡器电路中并传递到输出,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,并且连接 MEMS 谐振器和 IC 的键合线或球非常短。这使得 MEMS 振荡器对 EMI 的敏感度低得多。如下表和图所示,SiTime 振荡器的敏感度比晶体谐振器低多达 11.3dBm(线性比例为 134 倍)。 


oscillators-are-less-sensitive-to-EMI.jpg

此测试按照 IEC 62132-2 标准进行,该标准将电磁能量注入横向电磁(TEM)单元,其中安装有待测设备(DUT)。


6、MEMS 振荡器对振动敏感度低得多



vibration-resistance-is-important-1.jpg


一些需要非常稳定频率的系统,如无线基站和小型基站,可能由于振动而出现系统故障和服务中断。


MEMS 振荡器具有抗振性,因为 MEMS 谐振器的质量大约比石英谐振器的质量低 1000 至 3000 倍。这意味着施加在 MEMS 结构上的给定加速度,例如来自冲击或振动,产生的力将比等效的石英结构低得多,因此引起的频率偏移也低得多。第 5 页的图显示,SiTime MEMS 振荡器的振动敏感度比石英振荡器低 10 倍以上(更好)。请注意,此图基于对石英振荡器而不是无源晶体谐振器的测量,但预计在石英晶体谐振器上会有可比的结果。


7. MEMS 振荡器在任何频率下都容易获取 


石英晶振供应基础设施存在若干限制,可能导致交货期很长,约为 12 至 16 周甚至更长。一个限制是陶瓷封装供应商数量有限。另一个限制是可用频率选项有限。对于石英晶振,除非使用可编程锁相环(PLL),否则每个频率都需要不同的晶体切割。因此,非标准频率的交货期可能会非常长。


mems-die.jpg


与晶体谐振器相反,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产生的。这能够实现具有六位精度的非常宽的频率范围。此外,硅 MEMS 振荡器采用标准半导体工艺和封装制造。由于 MEMS 振荡器供应商利用了非常庞大的半导体行业基础设施,产能几乎不受限制。


MEMS 振荡器样品即使对于非标准频率,也可以在一天内编程并提供。通过使用 SiTime 的低成本 Time Machine II 编程器和现场可编程振荡器,设计人员可以在其实验室中立即对振荡器进行编程,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器件。生产交货期仅为 6 至 8 周。


8、整个产品系列的一项认证


针对最终使用(系统)条件对组件进行认证可能会消耗大量的时间和资源。然而,使用 MEMS 振荡器可以减少认证工作。SiTime 产品基于可编程平台,该平台允许基本产品系列中的每个器件生成广泛的频率、电源电压和稳定性。例如,如果已经投入资源对 SiTime 器件在特定输出频率下进行了认证,而新的电路板设计需要不同的频率,则现有的认证数据可能会扩展到具有新频率的部件。


相比之下,每个 XTAL 频率都需要不同的石英毛坯。而且,如果设计需要高于 60 MHz 的频率,通常会使用除基模石英之外的不同技术。三次泛音石英晶体通常用于更高的频率。这种模式可能会带来额外的挑战,以确保可靠启动(即,更高的运动阻抗和与基模不同的振荡器电路),这需要进行认证。


mems-xo-pll-generated-frequencies.jpg


总结


尽管存在固有的局限性,但几十年来,晶体一直是电子计时的标准。SiTime 的 MEMS 振荡器克服了这些限制,并与传统石英晶体谐振器相比提供了许多优势。设计人员不再需要接受与 XTAL 相关的头痛问题和限制。  


用 MEMS 振荡器取代 XTAL 的 8 大理由:  

1.振荡器“即插即用”——设计更简单,启动有保证 

2.质量和可靠性提高 30 倍——降低成本,提高稳健性 

3.封装更小且电容更少/无——减少 PCB 面积 

4.驱动多个负载,取代 2 至 3 个石英晶体——降低成本、物料清单和 PCB 面积 

5.对电磁能量的敏感度低 134 倍——更稳健 

6.对振动的敏感度低 10 倍——更稳健 

7.任何频率均可提供——交货期非常短 

8.一个 MEMS 产品涵盖较大的频率范围——减少认证工作













点赞
微信分享
链接分享
关注“晶圆电子”视频号
关注视频号查看产品培训视频
热门视频
热门文章
其他资源