引言

消费类可穿戴设备已从基本的计步器演变为功能丰富的 AI 计算设备，提供生物特征监测、运动分析和实时情境交互。热门类别包括智能手表、健身追踪器、耳塞和 AR/VR 设备，同时还涌现出一类无屏设计，通过语音输入和本地传感支持持续、情境感知的运行。

可穿戴设备中的精密授时组件维持着传感器、无线无线电和边缘 AI 功能之间的同步。它们为语音激活、生物信号采集、运动跟踪和空间映射等延迟敏感型功能提供确定性性能。这些组件还影响电池寿命——这是超低功耗架构中的关键设计约束。在电路层面，授时性能取决于建立基本时钟参考的谐振器，而振荡器则对该信号进行调理并分发到整个系统。

本文探讨了热门及新兴类别可穿戴设备的授时需求。回顾了 SiTime 基于 MEMS 的授时解决方案——这些方案在紧凑的电池供电平台上提供了高效、稳定和弹性，并概述了集成式谐振器如何进一步实现尺寸和功耗优势。文章最后以详细的常见问题解答收尾，回答常见的授时挑战。

第 1 部分：可穿戴设备与无屏物联网设备

可穿戴和无屏物联网设备涵盖消费、工业和医疗平台，集成传感器、无线无线电和低功耗处理器。所有这些设备都需要精密授时来协调传感器融合、计算功能和通信协议，同时保持紧凑、高能效的设计。

主要类别包括：

  ▪ 智能手表和健身追踪器：利用同步来对齐传感器采样、数据记录和无线通信，以实现精确的运动、生物特征和 GPS 跟踪。

  ▪ 无线耳塞和听觉设备：依赖精密授时来维持左右声道对齐和低延迟蓝牙链路，支持一致的音频质量、主动降噪（ANC）性能和语音激活。

  ▪ AR/VR 头显和智能眼镜：同步惯性测量单元（IMU）、深度传感器、摄像头和显示时钟，以最小化运动到光子延迟（motion-to-photon latency），并在头部或眼球运动期间保持空间精度。

  ▪ AI 个人助理可穿戴设备：利用稳定、低抖动的时钟进行唤醒词检测、麦克风波束形成和本地 AI 推理，因为授时不稳可能扭曲语音信号或增加响应延迟。Plaud Note、Amazon Bee 和 Meta Ray-Ban 智能眼镜等设备使用自然语言输入和本地 AI 处理实现免提交互。

  ▪ 健康和生物特征传感器：依赖稳定的授时参考，以在持续监测心率、睡眠、水合和代谢活动中保持长期精度。Oura Ring、智能贴片、连续血糖监测仪（CGM）和医疗生物传感器等设备跟踪心率变异性（HRV）、葡萄糖浓度、睡眠周期和恢复指标。

  ▪ 工业和公共安全可穿戴设备：需要精确的时间戳和同步感知，以实现实时感知、合规记录和安全无线通信。Axon Body 4 等设备将传感器融合与边缘 AI 相结合以实现情境智能，而空气质量徽章和工作场所暴露追踪器则使用周期性传感来实现环境合规。

尽管用例不同，但所有可穿戴和无屏设备都面临类似的授时设计挑战。第 2 部分将详细讨论这些因素，涵盖空间、功耗、热稳定性和信号完整性方面的考虑。

第 2 部分：可穿戴和无屏设备的关键设计参数

可穿戴和无屏物联网设备的运行约束直接影响跨传感器、AI 处理域和无线接口的授时可靠性、效率和同步精度。关键约束包括：

  ▪ 机械设计约束

机械设计约束限制了 PCB 面积、Z 高度和元件容差。授时组件必须在小至 1–2 mm² 的占位面积内保持精度，同时抵抗弯曲、振动、湿气暴露和冲击。基于 MEMS 的振荡器通过芯片级封装（CSP）和高机械稳定性满足这些要求，支持紧凑且坚固的外壳。与基于石英的方案相比，基于 MEMS 的授时器件在应变、冲击和振动下表现出更优的性能。

  ▪ 热稳定性与信号稳定性

可穿戴设备会经历快速的温度变化，这可能导致基于石英的设计发生频率漂移。在无线耳塞等音频应用中，即使微小的频率漂移也会引入同步误差、伪影或 ANC 性能下降。

MEMS 温补振荡器（TCXO）在消费类温度范围内保持 ±5 ppm 的稳定性，确保在热、冷、湿气和机械应力下的精度。它们对冲击、振动和极端温度变化的抵抗能力支持在炎热车内、冰冻条件下或附近处理器/电源满功率运行导致的快速温度加速时仍能保持一致运行。这对于启用 GNSS 的设备在 GNSS/GPS 不可用期间保持位置和运动估计精度尤为重要。

在运动和健康追踪设备中，IMU 精度也依赖于时钟稳定性。授时抖动或漂移会引入采样误差，降低传感器融合和算法精度。稳定的基于 MEMS 的千赫兹和兆赫兹时钟可维持加速度计、陀螺仪和处理元件之间的精确授时对齐，尤其是对于 AR 和 VR 系统——其中运动估计误差可能导致头痛和眩晕。

多时钟子系统

许多可穿戴设备在传感器集线器、AI 处理器和无线电的多个授时域中运行。每个域必须保持相位对齐以维持数据一致性和通信可靠性。可编程 MEMS 振荡器通过提供多个输出频率或驱动时钟树而无需外部缓冲器或发生器，简化了这些架构。

在无线子系统中，谐振器通常与片上振荡器电路配合用于蓝牙和 Wi-Fi 连接，而更高性能的设备有时需要独立的 MHz 级振荡器，以满足需要更低抖动或更高频率稳定性的高级功能。

抖动与相位噪声

低抖动对于蓝牙、Wi-Fi、5G/6G 蜂窝连接和高速 MCU 域至关重要。无线协议依赖精确的频率控制进行数据包成帧、信道切换和跳频。过高的抖动会增加误码率并降低吞吐量，而相位噪声可能干扰射频前端和音频通道。

能效。

始终在线的感知、无线链路和语音激活依赖于超低功耗授时源。亚微安级基于 MEMS 的振荡器在睡眠或空闲状态下维持同步，以延长电池寿命。高效的输出架构（如 SiTime 的 NanoDrive™ 技术）通过降低电压摆幅来最小化动态功耗，同时保持信号完整性。

电磁兼容性

紧凑的可穿戴布局将时钟靠近天线、电源转换器和传感器。石英振荡器的谐波可能耦合到 RF 路径中并降低信号完整性。基于 MEMS 的器件发射更低的电磁干扰（EMI），并且可以进行出厂配置以获得最佳的驱动强度，从而与蓝牙、Wi-Fi 和 5G 无线电保持共存。EMI 也可能从这些其他组件耦合到授时信号中，将噪声注入振荡器或时钟发生器的输出。SiTime 设计组件以最小化 EMI 干扰和耦合。

这些参数共同定义了先进可穿戴和无屏物联网设备的性能边界。以下各节描述了 SiTime MEMS 授时方案如何通过精度、环境弹性和高能效集成来应对这些挑战。

第 3 部分：面向消费类可穿戴设备的 SiTime MEMS 振荡器

可穿戴设备中 MEMS 授时的优势

大多数石英振荡器对机械敏感，在振动、老化和温度变化下会漂移，并且配置灵活性极低。这些局限性降低了消费类可穿戴设备中的授时可靠性——这些设备具有严格的功耗预算、持续的运动以及变化的体温和环境温度，增加了时钟漂移和同步误差的风险。

与石英不同，SiTime MEMS 振荡器提供了坚固且能效高的授时标准。它们在运动、环境应力和板级 EMI 下保持频率稳定性，同时工厂可编程性支持跨产品变体快速配置，无需硬件重新设计。

用于睡眠时钟和传感器管理的常开低功耗授时

可穿戴设备依赖常开授时在低功耗状态下保持系统感知。SiT1532 和 SiT1534 以亚微安级电流在 32.768 kHz 下运行满足这一要求，为 MCU 或 SoC 的计时、传感器轮询、时间戳和唤醒调度提供稳定的睡眠时钟信号，而不会耗尽小型可穿戴电池。SiT1811 在此基础上提供 ±20 ppm 稳定性和约 510 nA 电流消耗，封装尺寸 1.2 × 1.1 mm，无需外部电容器并可驱动多个负载，减少 PCB 面积和元件数量。

这三款器件均使用 NanoDrive™ 输出，通过最小化输出电压摆幅来降低动态功耗，并且工厂编程使单个器件能够支持跨产品变体的多种频率配置。

用于传感器和运动处理的温度稳定授时

暴露于体温、室外环境和处理器引起的热变化的可穿戴设备需要随温度变化的频率稳定性。SiT1552 TCXO 在消费类温度范围内提供 ±5 ppm 的稳定性，改善了恢复指标、HRV 采样精度和运动跟踪精度。SiT1580 TCXO 则提供了耐湿、耐压变和抗机械应力的环境弹性，适用于耐力可穿戴设备、户外健身设备和工业安全设备。

用于戒指、贴片和智能配件的超微型授时

工业设计趋势持续推动可穿戴设备向更小、更隐蔽的外形发展。SiT1572 在 1.5 × 0.8 mm 的芯片级封装中提供 32.768 kHz 授时，支持集成到指戴设备、粘性健康贴片和衣物安装传感器中。它在超微型占位面积内提供 ±50 ppm 频率稳定性，减少了睡眠跟踪、生理监测和医疗遥测等长时间测量期间的授时漂移。

用于无线连接和微控制器系统的 MHz 时钟

可穿戴架构需要 MHz 级时钟用于无线子系统和嵌入式处理器。SiT8021 支持 1–26 MHz 运行，功耗比同类石英器件低 90%，占位面积小 40%。它为蓝牙无线电、传感器集线器和低功耗 MCU 提供高效的时钟，其快速启动时间减少了占空比循环系统中的延迟和能量开销。

用于无线充电和 AI 同步的数字可调授时

先进可穿戴设备越来越多地集成无线充电、RF 通信和 AI 协处理，所有这些都受益于动态可调的授时。SiT39xx 系列数字控制振荡器（DCXO）——包括 SiT3901、SiT3907、SiT3921 和 SiT3922——通过单线数字接口支持动态频率调谐。固件控制的调整补偿了无线充电过程中的失谐，并同步跨处理模块的时钟域，减少 AI 工作负载中的授时延迟。

这些振荡器共同为消费类可穿戴设备中的感知、无线、显示和 AI 工作负载提供完整的频率控制。对于需要比完整振荡器封装更小尺寸或更低功耗的设计，SiTime 的集成式 MEMS 谐振器提供了一种替代授时参考，可减小尺寸、物料清单（BOM）和功耗。

第 4 部分：Titan MEMS 谐振器：适用于可穿戴设备的超小型、低功耗授时

SiTime Titan Platform™ MEMS 谐振器扩展了可穿戴设备的授时架构选项，优先考虑尺寸、功耗和集成灵活性。Titan 谐振器基于第六代 FujiMEMS™ 技术构建，结合了超小占位面积、宽工作温度支持以及在冲击和振动下的可靠性能。

其 CSP 封装仅为 0.46 × 0.46 mm，占位面积比最小的石英晶体谐振器小 12 倍，实现了紧凑的 PCB 布局和外形受限产品（如智能戒指、耳塞、健康监测仪、植入式医疗设备和其他无屏物联网终端）的工业设计自由度。

Titan 谐振器还设计用于合封装——与高性能半导体裸片一起嵌入 QFN、BGA、SiP 和模块内部。合封装消除了 PCB 上分立授时组件的需求，简化了组装并减少了寄生效应。频率选项从 32 到 76.8 MHz，支持 –40°C 至 +125°C 的工作温度，Titan 为广泛的可穿戴架构提供了低功耗授时选项——无论谐振器是驱动片上振荡器电路还是直接集成在模块层面。

当与片上振荡器电路配合或集成到模块中时，Titan 谐振器为那些不需要或物理上不便使用完整振荡器的系统提供了稳定的授时参考。

第 5 部分：为可穿戴设备选择合适的 MEMS 硅晶振

SiTime Titan 谐振器和 SiTime MEMS 振荡器为可穿戴架构提供了完整的授时产品组合——从集成 SoC 到分立的 PCB 基无线电——同时不牺牲稳定性、能效或外形尺寸。以下总结器件选项，按功耗特性、稳定性和封装尺寸分类，以简化常见用例的组件选型。

超低功耗 32 kHz 振荡器（替代石英晶振/谐振器，最小尺寸，可驱动多个负载，更高精度，更好可靠性）：

  ▪ SiT1811：32.768 kHz，稳定性 ±20 ppm，电源电压 1.35–1.98 V，典型电流 510 nA，RMS 周期抖动 2.5 ns，封装 1.2×1.1 mm，LVCMOS 输出。特性：超低功耗。

  ▪ SiT1532：32.768 kHz，温漂 75/100/250 ppm（室温 10/20），电源 1.2–3.63 V，电流 0.90 nA，抖动 35 ns，封装 1.5×0.8 mm，NanoDrive/LVCMOS。特性：低电压，替代晶振。

  ▪ SiT1533：32.768 kHz，参数类似 SiT1532，封装 2.0×1.2 mm，LVCMOS。

  ▪ SiT1573：32.768 kHz，稳定性 ±100 ppm，电源 1.62–3.63 V，电流 4.0 nA，抖动 30 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：小尺寸。

  ▪ SiT1630：32.768/16.384 kHz，温漂 75/100/150 ppm（室温 20），电源 1.5–3.63 V，电流 1.0 nA，抖动 35 ns，封装 2.0×1.2 mm 或 SOT23-5，LVCMOS。特性：–40 至 +105°C。

超低功耗 MHz 振荡器（最小尺寸，更低功耗，可驱动多个负载，更高精度，可编程设计灵活性）：

  ▪ SiT1534：1 Hz–32.768 kHz，温漂 75/100/250 ppm（室温 20），电源 1.2–3.63 V，32 kHz 时电流 0.90 µA，抖动 35 ns，封装 1.5×0.8/2.0×1.2 mm，NanoDrive/LVCMOS。特性：低功耗。

  ▪ SiT1569：1 Hz–462.5 kHz，稳定性 ±50 ppm，电源 1.62–3.63 V，100 kHz 时电流 3.3 µA，抖动 4 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：低抖动。

  ▪ SiT1579：1 Hz–2.5 MHz，稳定性 ±50 ppm，100 kHz 时电流 3.3 µA，抖动 2.2 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：低抖动。

  ▪ SiT1581：1 Hz–2.5 MHz，稳定性 ±50 ppm，100 kHz 时电流 3.3 µA，32 kHz 时抖动 2.5 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：抗小分子气体。

  ▪ SiT8021：1–26 MHz，稳定性 ±50/±100 ppm，电源 1.8/2.5–3.3 V，100 kHz 时电流 3.3 µA（注：此处原文可能有误，实际 MHz 器件电流应更高，但按原文保留），6.144 kHz 时抖动 75 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：超低功耗。

  ▪ SiT3901：2.6/6.78/13.56 MHz，稳定性 ±50/±100 ppm，100 kHz 时电流 3.3 µA，6.78 kHz 时抖动 80 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：数字控制振荡器。

  ▪ SiT1605, SiT1615：4–125 MHz，稳定性 ±25/±30/±50 ppm，电源 1.14–3.63 V，27 MHz 时电流 2.5 mA，抖动 1 ps，封装 1.6×1.2/2.0×1.6/2.5×2.0/3.2×2.5 mm，LVCMOS。特性：抗小分子气体。

  ▪ SiT8008：1–110 MHz，稳定性 ±20/±25/±50 ppm，电源 1.62–3.63 V，20 MHz 时电流 3.7 mA，75 MHz 时抖动 1.8 ps，封装 2.0×1.6/2.5×2.0/3.2×2.5/5.0×3.2/7.0×5.0 mm，LVCMOS。特性：现场可编程。

超低功耗 32 kHz TCXO（替代石英晶振/TCXO，最小尺寸，可驱动多个负载，更高精度，更好可靠性）：

  ▪ SiT1552 TCXO：32.768 kHz，全包稳定性 ±10/±13/±22 ppm，电源 1.5–3.63 V，电流 0.99 µA，抖动 35 ns，封装 1.5×0.8 mm，NanoDrive/LVCMOS。特性：低功耗。

  ▪ SiT1566 Super-TCXO：32.768 kHz，全包稳定性 ±3/±5 ppm（包覆成型/底部填充后），电源 1.62–3.63 V，电流 4.5 µA，抖动 2.5 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：低抖动。

  ▪ SiT1568 Super-TCXO：32.768 kHz，全包稳定性 ±5 ppm（包覆成型/底部填充后），电源 1.62–1.98 V，电流 4.5 µA，抖动 2.5 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：自动校准。

  ▪ SiT1580 TCXO：32.768 kHz，全包稳定性 ±5 ppm（包覆成型/底部填充后），电源 1.62–1.98 V，电流 4.5 µA，抖动 2.5 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：抗小分子气体。

超低功耗 MHz TCXO（最小尺寸，更低功耗，可驱动多个负载，更高精度，可编程设计灵活性）：

  ▪ SiT1576：1 Hz–2.5 MHz，全包稳定性 ±5/±20 ppm，电源 1.62–3.63 V，100 kHz 时电流 6.0 µA，抖动 2.2 ns，封装 1.5×0.8 mm，LVCMOS。特性：低抖动。

常见问题

问题 1

问：为什么精密授时在消费类可穿戴设备和无屏设备中至关重要？

答：精密授时通过协调感知、无线通信和嵌入式处理来维持确定性系统行为。精确的授时提高了系统可靠性，实现了同步数据采集，并确保了常开架构中的低延迟响应。

问题 2

问：无屏可穿戴设备面临哪些独特的授时挑战？

答：由于无屏设备没有显示屏，它们依赖语音、运动和传感器输入。这种交互模式要求精确的授时来实现常开唤醒词检测、手势识别、传感器数据时间戳、同步采样以及在紧凑低功耗设计中的低延迟无线传输。

问题 3

问：在消费类可穿戴设备中，MEMS 振荡器与石英晶体相比如何？

答：MEMS 振荡器提供机械弹性、可编程性和环境稳定性。石英晶振更容易受到振动、冲击和温度漂移的影响，而 MEMS 在运动和长期现场运行中保持频率精度。

问题 4

问：为什么在运动密集的可穿戴应用中，MEMS 振荡器比石英更受青睐？

答：可穿戴设备在日常使用中会经历步态、手臂运动和撞击带来的持续加速度。MEMS 振荡器使用抗机械位移的硅谐振器，可防止频率偏移和授时漂移，从而避免系统性能下降。

问题 5

问：设计人员何时应选择 MEMS 谐振器而不是完整的振荡器？

答：当 SoC、电源管理 IC（PMIC）或模块已经集成了性能足够的片上振荡器电路时，谐振器是理想选择。在这种情况下，外部振荡器会产生功能重复，增加功耗、面积和 BOM。谐振器在更小的占位面积内提供精确的频率参考，实现紧凑的工业设计和简化的 PCB 布局。

问题 6

问：Titan MEMS 谐振器为微型化可穿戴设备提供了哪些优势？

答：Titan 谐振器提供小至 0.46 × 0.46 mm 的超小型芯片级封装，并可合封装在 SoC、SiP、PMIC、无线电或模块内部。它们减少了 PCB 面积、简化了组装、消除了分立晶体，并在运动和環境应力下保持频率稳定性。其 MHz 范围支持在空间和功耗裕量紧张的设备中为 MCU、无线电、DSP 和 AI 加速器提供时钟。

问题 7

问：Titan 谐振器能否替代用于 RTC 功能的 32.768 kHz 振荡器？

答：不能。Titan 谐振器运行频率为 32 MHz 至 76.8 MHz，且依赖外部振荡器电路，因此它们支持 MCU、无线电和 AI 时钟，而非低频 RTC 授时。实时时钟（RTC）和时间戳功能仍然依赖亚微安级的 32.768 kHz 振荡器，如 SiT1532 或 SiT1552。

问题 8

问：可穿戴授时组件必须承受哪些环境因素？

答：可穿戴设备会接触汗水、湿气、振动和机械冲击。振荡器必须保持频率稳定性，同时抵抗无线子系统和附近开关电路的干扰。

问题 9

问：温度变化如何影响可穿戴设备中的振荡器性能？

答：体温、处理器活动和室外条件会引入温度梯度，从而改变振荡器频率。温度补偿振荡器（TCXO）可抵消这些偏移，以保持生物传感和无线同步的授时精度。

问题 10

问：振荡器如何影响常开可穿戴设备的电池寿命？

答：低功耗振荡器可降低睡眠和空闲状态下的待机电流，同时支持计时和计划唤醒事件。亚微安级的 32.768 kHz 振荡器（如 SiT1532、SiT1534 和 SiT1811）可实现后台感知、时间戳和睡眠时钟操作，而不会增加电池消耗。SiT1811 增加了 ±20 ppm 稳定性和 1.2 × 1.1 mm 占位面积，有助于在无需外部电容器的情况下缩小常开授时的尺寸，同时驱动多个负载。此外，某些系统可以通过使用外部振荡器为 IMU 提供时钟而受益，提供更好的位置估算同时降低摄像头数据速率，从而降低系统总功耗。

问题 11

问：授时在可穿戴设备的无线连接中起什么作用？

答：蓝牙、Wi-Fi 和 5G 等无线协议依赖精确的频率参考来实现数据包成帧、跳频和链路稳定性。授时不准确会增加重传、降低吞吐量，并可能在高拥塞 RF 环境中导致链路丢失。此外，依赖 GNSS/GPS 的系统可以在卫星信息因干扰、遮挡或信号干扰而不可用时保持精确时间。

问题 12

问：振荡器如何实现精确的健康监测和生物传感？

答：振荡器同步光学（PPG）、电学（ECG）、运动（IMU）或温度传感器的采样窗口。一致的采样和时间戳精度可提高 HRV 分析、睡眠分类、葡萄糖趋势和运动特征的分辨率。

问题 13

问：精密授时如何支持可穿戴设备中的多传感器融合？

答：传感器融合算法依赖于来自加速度计、陀螺仪、摄像头、PPG、麦克风或温度传感器的时间对齐输入。振荡器提供共同的时间基准，以确保精确的融合和信号相关性。

问题 14

问：微型化可穿戴设备中振荡器的尺寸限制是什么？

答：空间受限的设计（如智能戒指、血糖贴片和入耳式可穿戴设备）需要小至 1.2 mm² 的芯片级振荡器封装。设计人员必须在占位面积、频率稳定性和功耗之间取得平衡。

问题 15

问：可编程振荡器在可穿戴设计中的重要性是什么？

答：可编程振荡器支持频率、电压和输出格式配置，无需硬件重新设计。它们减少了 PCB 版本变更、简化了组件认证，并简化了设计重用。

问题 16

问：数字控制振荡器如何改善可穿戴设备中的无线充电？

答：DCXO 提供实时频率调谐，以补偿感应充电期间的失谐。这保持了线圈谐振，提高了功率传输效率，并减少了紧凑电池上的热应力。

问题 17

问：哪些趋势正在塑造先进可穿戴设备中的授时要求？

答：无屏 AI 助手、连续生物传感、多无线电共存和严苛功耗预算的增长，正在推动对具有机械和热弹性的可编程、低功耗授时的需求。

问题 18

问：SiTime 的 MEMS 振荡器为可穿戴应用提供了哪些优势？

答：SiTime 振荡器结合了低功耗、抗振动、可编程配置和小型芯片级封装。SiT1532、SiT1572、SiT1580 和 SiT39xx DCXO 系列等器件支持常开感知、环境鲁棒性、无线同步和无线充电稳定性。

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