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石英和可编程全硅MEMS振荡器大比拼

作者:时间:2016-09-12来源:网络收藏

如果说很多人把或SoC主芯片比喻为现代电子系统的大脑,那么时钟组件当之无愧是其心脏。无论是电子工程师还是元器件采购者,在选择时钟组件时都会经过全面严谨的评估。因为一颗健康、稳定、持久的“心脏”,将直接影响到电子系统的功能和可靠性。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201609/303358.htm

时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。在过去60年中,石英作为时钟市场的主流技术,一直占据着霸主地位。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断,因此性价比无法进一步提升。为了满足电子市场对元器件提出的更小、更可靠、更灵活的需求,时钟组件必须走上全面硅化的道路。这篇文章将主要介绍全硅和传统石英的区别,以及全硅IC技术所解决的问题。

石英和全硅时钟简介

传统的石英是由压电石英加上简单的起振芯片和金属封装组成的,其生产工艺包括:石英切割镀银、购买基座、起振芯片,以及将石英及芯片以特殊黏胶结合后至于基座上,然后充填氮气,用金属封装进行密封。而不同频率、不同工作电压振荡器的产生,则是由石英的不同形状、镀银厚度及所佩的起振芯片所决定。所以,从生产工艺角度,石英产业是一个人工密集型的半自动化传统产业,其产品也受到传统原材料和工艺的限制:

1. 复杂的生产程序导致供货期的拖长及缺货应急困难的现象;

2. 不同振荡器规格需不同原料不同工艺,从而使成品缺乏灵活性,无法为满足不同应用而进行实时配置;

3. 压电石英对温度敏感度高的特性,造成石英振荡器的温飘烦恼;

4. 石英易碎怕摔老化的弱点需靠生产工艺和质量管理来解决,缺乏质量和长期可靠性的一致性。

电子系统厂商为求从根本上解决石英的内在弱点,因此在时钟组件的选料上开始转向全硅振荡器。与传统石英振荡器截然不同,MEMS振荡器采用了全硅的产品结构,有一个全硅MEMS谐振器和一个可编程Analog CMOS驱动芯片堆栈,并以标准QFN IC封装方式完成。

与传统石英相比,全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上,都更符合现代电子产品的标准,也是对传统石英产品的升级换代。

* 高性能模拟温补技术使全硅MEMS振荡器具有优秀的全温频率稳定性,彻底解除温飘问题;

* 可编程的平台为系统设计和缩短新产品开发周期提供必要的灵活性;

* 完善的半导体生产链可让全硅MEMS供货期全面缩短,并提升需求应急的能力;

* 全自动生产的IC结构在质量和可靠性方面有无可置疑的优良的一致性。

全硅MEMS振荡器的全温性能优势

频率稳定性,特别是在不同温度下的稳定性,是电子工程师在选择振荡器时考虑的主要参数之一。因为每一个设计,都需要保证系统在整个工作温度范围内正常运作。而温飘(频率随温度而显著变化的现象)则是传统石英产品的弱点,难以单纯从制造上克服。图2是石英和全硅MEMS振荡器在频率稳定性方面的比较。

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图2 全硅MEMS振荡器25PPM频率稳定性超越石英

图2的深黑色曲线显示出一个工业级(-40?C-85?C)石英振荡器要达到全温频率稳定性25PPM在技术上的难度。从图中可看到,在高低温的情况下,石英作为参考时钟其设计余量较不充分,由此也增加了整体系统在工业级全温产生不稳定运行的可能性。

图2同时也显示了各种色彩的平衡线,代表了110个SiTime全硅MEMS振荡器在-40?C-85?C范围内的实际总频差。与石英振荡器相比,这些工业级MEMS振荡器频率稳定性不但可保持在15PPM以下,其曲线更具有线性特征,为系统提供更大的设计余量。

正由于全硅MEMS振荡器利用温度补偿的技术,从振荡器设计上解决了石英温飘的烦恼,因此电子工程师在选料时有了更大的余地。他们可以选择50PPM 的 MEMS振荡器来替代很多25PPM的石英,既可满足系统所需规格,又可降低成本。或者,他们可采用25PPM的MEMS振荡器来提升系统总体稳定性。

全硅MEMS振荡器的可编程规格组合

传统石英振荡器的主要规格参数如输出频率、频率稳定性是由石英切割的形状、厚度及在加工过程中镀银老化等步骤来实现的。这也决定了石英一个频率、一个工作电压、一个频率稳定性对应一个料号的固定频率的商业模式。

从图3也可看到,从技术角度,高频率的石英振荡器一般无法支持1.8V的工作电压,或25PPM的频率稳定性,因为压电石英的基本波振荡是限制在 60MHz 以下。60MHz以上的频率则需利用3次,5次或7次倍频,再加上过滤电路来实现,造成有限的规格选择和居高不下的成本.

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图3 传统石英一般只支持常用固定品率和规格

因此,石英的传统模式虽有简单明了的优点,但却缺乏了现代电子厂商在产品开发、供货周期和备货成本管理上所需要的灵活性。

与石英相比,全硅MEMS振荡器是由MEMS谐振器和高性能模拟CMOS芯片组成的一个可编程的时钟平台,其主要规格参数都在设计时整合进了CMOS,利用内嵌的NVM(非易失性存储器)来实现振荡器参数即MEMS振荡器的实时配置。

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图4 全硅ME振荡器平台提供不同频率,电压和PPM的组合

图4展示了SiTime 的SiT9102差分振荡器的灵活性,同一个基本料号可通过编程来实现不同参数规格组合。

除图中所示,SiT9102还可通过编程方式达到民用级(0?C-70?C)、超民用级(-20?C-70?C)或工业级(-40?C-85?C)等不同工作温度,以及一般高频振荡器无法支持的10PPM频率稳定性。

SiT9102高度的灵活性,使电子工程学在系统设计中不但无需再为振荡器规格不全而束缚,更可同过尝试不同规格,实现最佳组合,来提高系统整体性能和稳定性。

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关键词: SOC MCU 振荡器 MEMS

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