基于MEMS定时器取代RF设计中的石英晶体

除极少数例外情况外，每个电子电路都需要一个振荡器，也称为时钟，时钟发生器或定时电路。它的作用是为处理器，存储器功能，通信端口，A/D和D/A转换器(如果有的话)和许多其他功能提供“心跳”。在非关键的低预算情况下，例如10美元的大众市场电子温度计，这个时钟可以由一个简单的电阻/电容(RC)振荡器制成。然而，对于绝大多数更为关键的情况，振荡器基于石英晶体(图1)。这是一种成熟(80年以上)且高效的技术，可支持从kHz到数百MHz的各种频率，性能从优秀到卓越，具体取决于晶体切割，制造，封装和其他考虑因素。

 

 

图1：古老的石英晶体(但不是整个振荡器)由标准原理图符号表示; b)等效电路从所示的简化模型开始，但随着工作频率的增加可能会变得更加复杂。

然而，晶体的进步已达到稳定水平，同时对时序功能的性能，尺寸和成本提出了要求，整合正在增加。为了满足这些需求，一种新的破坏性方法开始侵蚀基于硅MEMS(微机电系统)技术的石英器件，该技术可提供石英级性能，并且性能和成本水平适用于许多应用。 MEMS器件已经高度发展，大量用于感应压力，运动和加速度，现在它们正在扩展到新的角色。

对射频应用中的定时功能的要求尤其具有挑战性，振荡器不仅仅是处理器的时钟，而且可以容忍一点点抖动。在RF中，它建立了数百MHz和GHz范围内的基本载波/信道调谐，以确保A/D和D/A转换器的正确时钟。对于转换器，任何抖动都会转换为转换器噪声和失真，因此是RF设计中的关键规范。

振荡器操作

晶体定时器件的结构和操作基于众所周知的压电原理，即电信号在晶体中产生应力，反之亦然：施加的应力使晶体产生微小的电压。通过使用微小的石板或石英坯料以及合适的电路，石英作为调谐谐振器，为整个电子系统提供精确间隔的时钟信号。

在基于MEMS的器件中，使用完全不同的方法。芯片核心处的蚀刻硅就像一个音叉，它以所需的频率谐振，而芯片上的额外电子电路则管理和放大这个时钟信号(图2)。

 

 

图2：MEMS振荡器技术使用蚀刻在硅片中的一种类似音叉的谐振器，以及支持电路。 (由SiTime提供)

有许多第一，第二，甚至第三层参数用于评估任何振荡器，无论是晶体还是其他振荡器。当然，所需的最小值或最大值取决于应用，但这些参数的相对权重随设计而变化。

关键参数包括标称工作频率，绝对精度，老化相关稳定性，短路和长期漂移(温度系数和补偿)，抖动，工作温度范围，封装和尺寸，工作电压，电源灵敏度，功耗，抗冲击/振动，启动时间，供应商变化和成本，引用a少数。根据应用需求以及任何历史背景，大多数这些都是以不同方式和不同条件合法测量的。

MEMS优势和现实

基于石英晶体振荡器由多个部件组装而成，包括精心切割和抛光的石英毛坯，将其固定在封装中的安装，同时还提供电接触(以及一些抗冲击/振动)，以及外壳封装本身(有关更多背景，请参阅CTS产品培训模块“Crystal Clock Oscillators”)。相比之下，MEMS振荡器是一种IC，采用标准工艺CMOS生产线制造，在大多数情况下使用8英寸晶圆。在探测，修整和测试之后，该设备被包装;再次，就像任何IC一样。因此，MEMS器件受益于用于传统IC的批量生产批量技术和工艺。 (有关MEMS振荡器的其他背景，请参阅ASFLM1系列上的Abracon产品培训模块)。基于MEMS的器件的其他优点包括：

最终器件比石英版小。这不仅可以节省宝贵的PC板空间，而且可以使定时器件更靠近它所支持的器件，以获得更好的信号完整性和降低EMI。

MEMS振荡器可以构建有源电路在芯片上，可用于补偿电路，改善性能与温度或电源轨的变化。它也可用于提供完整的振荡器功能，因为石英晶体和MEMS谐振器本身都不是完整的振荡器(尽管该术语通常以这种方式使用);每个都需要一些相关的电路来驱动核心定时元件并调节/缩放输出。许多振荡器还需要PLL将基本振荡器频率乘以所需的载波频率，这也可以成为IC的一部分。

完整的MEMS振荡器内核，振荡器电路和接口功耗较低

此外，正在开展工作以允许MEMS器件芯片与其驱动的IC(例如A/D转换器)以与存储器IC相同的方式共同封装。现在与他们的微控制器或微处理器堆叠和共同封装。这将带来多种好处：需要更少的电路板空间，简化的BOM，改进的单一完整性，以及振荡器和转换器的经过测试和保证的性能，而无需考虑PC布局问题(这些问题在GHz的RF范围内具有挑战性且经常令人沮丧鉴于所有这些优点，MEMS设备没有取代晶体振荡器的原因有几个：

可用的MEMS器件的性能可能不是这样的。

RF设计人员非常谨慎，因为时序功能对系统性能至关重要。

虽然晶体有缺点和伪影，但这些相当不错了解。相比之下，MEMS器件的微妙之处和变幻莫测只是开始为RF设计人员所接受的前沿设计所知。

新的RF设计通常包含一个或几个新产品上市组件，如高性能LNA或A/D和D/A转换器，但设计人员不愿意尝试太多新组件。这是关于风险管理以及设计师一次使用多少不熟悉的设备，即使每个设备都有潜在的益处。

成本，当然：作为一种成熟的技术，晶体供应商已经设法带来了成本通过经验和数量来降低。虽然MEMS器件具有降低成本的潜力，但这必须根据具体情况进行评估。

MEMS振荡器成为现成的标准件

一些可用的MEMS定时设备说明了这些组件的功能。例如，SiTime SiT8209高频，超高性能振荡器(图3)可以订购80.000001和220 MHz之间的任何频率，精确到小数点后六位。为了过渡方便，它被封装为石英振荡器的引脚对引脚直接替代，具有仅0.5 psec的超低相位抖动，以及低至±10 ppm的频率稳定性。此外，SiTime还提供了许多适用于不同应用设计要求的MEMS器件系列。

 

 

图3：SiTime SiT8209提供极低的抖动，至关重要许多通信应用;图中显示的是当采用LVCMOS输出工作在3.3 V时，相位噪声为156.25 MHz。

Silicon Labs提供四个系列(Si501，Si502，Si503，Si504)，其成员在额外功能方面有所不同，性能保证10年的频率稳定性，包括焊料偏移，负载牵引，电源变化，工作温度范围，振动和冲击;该供应商声称这是可比石英设备的10倍保证。这些单元提供32 kHz至100 MHz之间的任何频率，频率稳定性选项包括商用(-20°C至70°C)和工业(-40°C至85°C)温度范围内的±20，±30和±50 ppm。四引线器件(图4)可在+1.71 V至+3.63 V之间的任何电源轨上工作。

 

 

图4：Si501的成员Silicon Labs的/2/3/4系列具有相同的基本性能规格，但输出使能和频率选择等额外功能的可用性不同。

Micrel的Micrel MEMS振荡器单元(图5)可以在2.3到460 MHz的频率下工作(例如，DSC1123的频率为156.25 MHz)。典型RMS相位抖动低于1 psec，而稳定性可订购±10，±25或±50 ppm额定值。 LVDS输出器件采用2.5×2.0,3.2×2.5,5.0×3.2和7.0×5.0 mm封装，适合现有封装，需要2.25至3.6 V电源。该供应商声称MTF(平均故障时间)比石英设备好20倍。

 

 

图5：Micrel的DSC单元是标准6引脚LVDS石英晶体振荡器的“直接”替代品;器件的不同之处仅在于使能使能控制引脚。

总结

很难预测基于MEMS的定时器件将在何种程度上取代历史悠久的石英基晶体RF设计中的单位，以及这种转变需要多长时间。毫无疑问，MEMS单元的优势及其在性能，尺寸，成本和封装方面的未来潜在优势使它们在较低频率下具有极具吸引力的竞争，并且越来越多地进入更高的RF频谱。市场研究公司IHS最近预测，2016年将出货超过10亿个MEMS定时装置，主要用于手机和消费类电子产品。供应商看到了机会，MEMS技术已经在大众市场中使用，它正在推进和成熟，只要任何权衡 - 显然会因应用而变化 - 用户都可以接受，用户就会受益。