这些年科技水平越来越发达,不少产品的设计要求也随之增高,MEMS Oscillator是一种性能比较高的振荡器,因此许多产品工程师要求使用MEMS可编程晶体振荡器,但是有很多人不明白,为什么要用MEMS Oscillator,比起其他SPXO,TCXO,OCXO,VCXO,VC-TCXO等类型振荡器的优势在哪里?今天金洛鑫电子收集了一些资料,为大家整理一下,为什么要用MEMS的理由,以及使用MEMS可编程振荡器的八个优势.
每个电子系统都需要一个计时装置.晶体(XTAL)谐振器通常是首选解决方案.然而,振荡器将谐振器与振荡器IC配对成一个完整的集成定时器件,与XTAL相比具有多种优势.MEMS定时技术进一步扩展了这些优势.系统设计人员不再需要解决XTAL的局限性,并接受使用晶体设计的麻烦和风险.

1.即插即用振荡器简化了系统设计
从表面上看,使用石英晶体的振荡器设计可能看起来很简单,特别是考虑到这项技术的成熟.但是,当将晶体与振荡器电路匹配时,需要考虑无数的设计参数.这些参数包括晶体运动阻抗,谐振模式,驱动电平和振荡器负电阻,它是振荡器增益的量度.此外,对于并联谐振模式晶体,必须考虑负载电容,它应考虑PCB寄生电容以及振荡器电路中可能包含的片上集成电容.
必须仔细考虑所有这些参数,以确保电路的可靠启动和运行.由于振荡器电路要求谐振器与石英晶体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相匹配,从而减轻了电路板设计者的负担.由于消除了匹配误差,因此SiTime可以保证振荡器的启动.简而言之,振荡器是一种即插即用的解决方案,可大大简化系统设计.

设计考虑	MEMS振荡器	水晶谐振器
晶体运动阻抗(ESR)	NO	Yes
用于并联谐振的串联/并联晶体谐振和调谐电容器	NO	Yes
振荡器片上电容,用于正确的频率调谐	NO	Yes
水晶驱动水平	NO	Yes
振荡器负阻	NO	Yes
保证振荡器启动	Yes	NO

2.MEMS振荡器提供更好的质量和可靠性
质量和可靠性至关重要-不仅公司声誉受到威胁,而且重新工作可能既昂贵又耗时.此外,在户外部署并暴露于环境压力的系统必须特别坚固.石英谐振器虽然是成熟的技术,但涉及相当复杂的制造工艺,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的频率.该步骤在晶体被封装之前发生,并使石英晶振易受污染.这个过程以及其他石英制造复杂性导致石英的平均故障间隔时间(MTBF)低至1400万到3800万小时.对于最好的石英制造商而言,有缺陷的百万分率(DPPM)高达50,对于二级石英供应商高达150.
与石英晶体的专业制造工艺相比,MEMS Oscillator制造商使用标准的半导体批量模式技术.这包括谐振器和振荡器IC的晶圆级生产,以及采用塑料封装的标准引线框架的芯片键合.
3.MEMS低频振荡器占用的电路板空间减少了65％
振荡器是完全集成的解决方案,不需要外部组件,如电源去耦电容.SiTime的1.5mmx0.8mm(1508)占位面积比1.6mmx1.2mm的最小石英晶体占位面积小.当考虑到32kHz石英晶体所需的负载电容时,总电路板面积或XTAL解决方案的尺寸要大三倍以上.

4.振荡器可以驱动多个负载,从而降低成本,BOM和电路板空间
振荡器是一种有源电路,其输出驱动器通常能够根据驱动强度驱动2到3个负载.这使得振荡器可以取代多个晶体及其相关电容,从而进一步降低了BOM,系统成本和电路板面积.

5.MEMS振荡器对EMI的敏感度要低得多
在大多数系统中常见的电磁能量可以通过将晶体谐振器连接到包含有源晶振电路的IC的暴露的PCB迹线来拾取.该噪声可以耦合到振荡器电路并传递到输出,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,并且将MEMS谐振器连接到IC的键合线或球非常短.这使得MEMS振荡器对EMI的敏感性降低.如下表和曲线图所示,SiTime振荡器的灵敏度比晶体谐振器低11.3dBm(线性标度为134x).

该测试按照IEC62132-2标准进行,该标准将电磁能注入横向电磁(TEM)电池,其中安装了被测器件(DUT).
6.MEMS振荡器对振动的敏感性要小得多
抗振性是重要的,因为电子系统经常暴露于环境压力,尤其是户外部署的系统.风,重型车辆和火车是许多外部振动源的几个例子.此外,系统通常使用导致振动的冷却风扇.这些振动应力会在晶体谐振器上引起频移和噪声.

某些需要非常稳定频率的系统(例如无线基站和小型蜂窝)可能会因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谐振器的质量比石英谐振器的质量低约1,000至3,000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,将导致比其石英等效物低得多的力,因此引起低得多的频移.第5页上的图表显示,与石英振荡器相比,SiTimeMEMS振荡器的振动灵敏度降低了10倍(更好).请注意,此图是基于晶振而非无源晶体谐振器的测量结果,但预计石英晶体谐振器的结果可比.
7.MEMS振荡器随时可用
石英供应基础设施具有若干约束条件,这可能导致较长的交付周期,大约12至16周甚至更长.一个限制因素是陶瓷封装供应商数量有限.另一个限制因素是频率选项的有限可用性.对于石英产品,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,非标准频率的提前期可能非常长.

与晶体谐振器相比,MEMS谐振器基于标准谐振器配置.通过将PLL编程为不同的乘法值来产生MEMS振荡器的输出频率.这使得频率范围非常宽,具有六位精度.此外,硅MEMS振荡器采用标准半导体工艺和封装制造.由于MEMS振荡器供应商利用非常大的半导体工业基础设施,因此容量几乎是无限
MEMS振荡器样本可在一天内编程并可用,即使对于非标准频率也是如此.通过使用SiTime晶振的低成本Time MachineII编程器和现场可编程振荡器,设计人员可以在他们的实验室中立即对振荡器进行编程,以创建具有任何频率,任何电源电压和器件工作范围内任何稳定性的器件.生产周期仅为6至8周.
8.整个产品系列的一项资格
最终用途(系统)条件的合格组件会消耗大量时间和资源.但是,MEMS振荡器可以降低认证工作量.SiTime产品基于可编程平台,允许基础产品系列中的每个器件产生各种频率,电源电压和稳定性.例如,如果已经投入资源以使特定输出频率的SiTime设备合格并且新的电路板设计需要不同的频率,则现有的资格数据可以扩展到具有新频率的部分.
相反,每个XTAL频率需要不同的石英毛坯.如果设计要求频率高于60MHz,则通常使用除基模石英之外的其他技术.三次泛音石英晶体通常用于更高频率.该模式可能引入额外的挑战以确保可靠的启动(即,比基本模式更高的运动阻抗和不同的振荡器电路),这需要鉴定.

结论:尽管存在固有的局限性,晶体几十年来一直是电子计时的标准.与传统石英晶体谐振器相比,SiTime的微机电系统振荡器克服了这些限制,并提供了许多优势.设计师不再需要接受XTALs带来的头痛和限制.
用微机电振荡器取代XTALs的八大原因是:
1.振荡器是’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,增强稳健性;
3.更小的封装和/或更少的盖帽–减少印刷电路板面积;
4.驱动多个负载,替换2到3个石英晶体–降低成本、材料清单和印刷电路板面积;
5.对电磁能量的灵敏度降低高达134倍,更加坚固;
6.对振动的敏感度降低10倍,更加稳健;
7.可在任何频率下提供–非常短的交付周期;
8.一个MEMS硅晶振产品覆盖了很大的频率范围,减少了鉴定工作.

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