MEMS时钟以小体积、高精度正迅速崛起

作者 / 王影 《电子产品世界》编辑(100036)

1 MEMS是时钟市场的新势力

　　据SiTime负责市场营销的执行副总裁Piyush Sevalia介绍，时钟产业约为60亿美元规模，每年的产值成长率约5%~10%。MEMS时钟市场目前小于5%的份额，但每年的成长率高达约70%到80%，可见增速很快。

　　为何MEMS时钟的增速更快?Piyush解释道，半导体的特点是集成度越来越高，所以可以在单位容积里提供越来越多的功能和高性能，而且半导体的量产效率较高，一致性也高，所以半导体在很多应用场合取代了旧有的技术，例如数码相机的存储芯片取代了传统相机的胶卷，电子管、晶体管取代了真空管。以此类推，随着应用对环境因素要求越来越高，半导体MEMS时钟也有很好的发展机会。

　　5G、消费电子等是MEMS时钟的发展机会。

2 5G应用的时钟的挑战

　　随着进入5G时代，移动运营商的无线设备需要更严苛的时间同步，因此必须使用 OCXO(恒温振荡器)。而在5G 之前，这种OCXO 部署在控制良好的环境中。但是现在和即将到来的5G时代，计算、核心网络和无线拆分成系统部署在不受控制的环境中，诸如信号塔、屋顶和灯柱。在这些环境下，OCXO将受到振动和极端温度的影响。　　所以部署架构的这种变化需要新的思考，相比于其他应用，需要有更低的频率稳定性、相位抖动、短稳(阿伦方差)和小尺寸(如图1)。这时，相比于传统的石英定时技术，MEMS解决方案脱颖而出。

　　2.1 MEMS相比石英方案的优势

　　近日， SiTime宣布推出了面向5G基础设施的MEMS 时序解决方案——Emerald平台，不仅可将5G设备部署到任何环境中，而且体积更小、性能更高，具有可编程性。

　　据SiTime称，Emerald平台也是业界首款MEMS 恒温振荡器。OCXO可在时序中提供顶级性能，是所有通信网络可靠运行的关键。

　　然而，基于石英的OCXO对诸如振动、温度变化和冲击等环境压力因素较为敏感，客户必须采取大量预防措施以确保可靠运行。一大难题是OCXO的电路板布局。OCXO在布局时需要远离压力因素，例如热量和气流诱发的热冲击。这导致了布线复杂和潜在的信号完整性问题。此外，设计人员也尝试使用专门的塑封型OCXO盖进行热隔离，但这会增加制造步骤和生产复杂性。Emerald平台MEMS OCXO消除了这些问题，是市场上少有的可以达到3E时钟标准的OCXO，外形尺寸仅为9 mm×7 mm，OCXO频率稳定性达到±5 ppb。

　　另外，SiTime还提供可编程性。而传统石英 OCXO是从头定制的产品。它们在特性的可用性方面存在严重限制，例如频率、输出类型、工作温度和系统内控制。“SiTime 的 Emerald 平台 MEMS OCXO 则没有这些限制。”Piyush先生称，通过使用可编程模拟架构，Emerald OCXO可提供1~220 MHz范围内任意频率，确保客户能为自己的应用选择最佳频率。在不久的将来，Emerald OCXO 将提供更广阔的工作温度范围(-40 到 +95℃，-40 到 +105℃)和用于系统内编程的 I2C 串行接口。

　　2.2 Emerald为何可以做得很小?

　　原来的石英谐振子在图2的铁壳里，Emerald的谐振子在哪里?

　　如图3，其中最小的黑点就是SiTime的谐振子，只有0.4 mm×0.4 mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的体积。

　　2.3 MEMS为什么抗振性好?

　　人们在用传统石英做OCXO时，可能会遇到一个很重要的问题就是外界的振动怎样解决?因为振动会影响压力。

　　但是由于SiTime的谐振子非常小，这意味着同样外界的压力对它造成的变异能力较小，所以它受外界频率等环境的影响较小。由此可见，从体积这个本质上就能解决抗振性的问题。

　　2.4 频率可编程的用途

　　Emerald平台是1~220 MHz可编程的，这在5G领域有什么样的应用场景?

　　分为两个部分回答。第一部分，相比固定频率OCXO，随着未来5G系统的复杂性要求较多时，系统工程师可能需要的频率不在目前市场上找得到的固定频率范围内，因此可以迅速提供不同频率。

　　第二部分，现在进行可编程很方便。由于有了I2C在线编程，解放了工程师原来要靠传统OCXO供应商给他一个固定频率，现在工程师通过I2C数字接口，在系统内部就可以通过软件的方式编程OCXO所需要的频率。另外，工程师可以通过I2C接口去读取OCXO内部的温度，作为其系统设计时候的一个参考。第三，还可以读取OCXO内部的工作状态，并做校正。第四，OCXO有老化的问题，如果5G系统安装到市场上以后，十年以后OCXO的精度变化，系统设备工程师如果要去校正该OCXO，以往的方式只能到是现场拆开机器更换板子或OCXO。未来通过在线编程，工程师可以做远程校正。这就像手机现在不需要送维修厂，就可以做软件升级一样。

3 面向紧凑型消费电子的MEMS时钟

　　紧凑型物联网和便携式电子设备需要小面积同时能延长电池寿命的解决方案。时序器件是这类产品运行的关键，但时钟源通常需要多个组件来满足消费类电子设备的频率要求，导致较高的电路板空间占用和功耗。

　　2018年11月，Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)推出了多路输出MEMS时钟发生器DSC613，据称为时序组件节省多达80%的电路板空间，灵活的解决方案覆盖宽频率范围，无需外部晶振，适合要求低功率运行的小型设备，例如数码相机、智能扬声器、虚拟现实(VR)头盔、流媒体播放棒和机顶盒等。

　　3.1 相比传统石英晶体时序的优势

　　Microchip时序和通信组产品营销经理Song Li告诉电子产品世界的记者，与传统的石英晶体时序解决方案相比，Microchip的MEMS时钟发生器具有诸多优势，前三大优势如下。

　　第一个优势是节省电路板空间。DSC613取代了三个晶体/振荡器，只需将1.6 mm×1.2 mm的DSC613封装尺寸与三倍大的2.0 mm×1.6 mm晶体封装尺寸进行比较便可发现，它至少节省了80%的电路板空间。而在传统解决方案中，每个晶体还需要两个负载电容，这会进一步占用电路板空间。总之，DSC613最多可以取代9个元件，节省80%以上的电路板空间。

　　第二个优势是在极宽的温度范围内保证ppm稳定性。客户可以订购温度范围为-40至125℃、精度为±20 ppm的DSC613器件。另一方面，石英晶体解决方案还需要匹配电容来确保初始ppm精度。由于晶体靠近主芯片时温度会发生变化，晶体ppm将按“S”曲线漂移，这可能导致系统中出现性能和稳定性问题。像DSC613这样的MEMS时钟发生器具有片上温度补偿电路，支持实时校正ppm漂移。因此，它可以在非常靠近主芯片时仍然保持ppm精度。

　　第三个优势是消除了电路板上的晶体起振问题。如果主芯片中的振荡器电路没有足够的驱动强度来克服晶体的等效串联电阻(ESR)，晶体便无法开始振荡。随着晶体封装尺寸逐渐减小，ESR急剧增大。如今，客户必须使用小型封装晶体，以便在微型印刷电路板(PCB)上布置更多元件，这提高了发生晶体起振问题的风险。MEMS时钟发生器使用匹配的内部振荡器电路来驱动MEMS谐振器，从而消除了晶体起振问题。

　　Microchip有很强的设计，可以自行设计PLL(低功率锁相环)。DSC613具有两个低功耗小数分频PLL，可产生2 kHz至100 MHz之间的任何频率。它还支持扩频时钟来降低EMI。

　　3.2 相比芯片内置时钟，外置时钟器件的优势

　　一些MCU或SoC等芯片内部已集成了时钟，外置时钟的好处是什么?

　　这取决于每个客户的应用。由于制造公差的原因，MCU或SoC中集成的时钟通常只能支持有限的ppm精度(测量单位为百分比而非ppm)。受芯片内部噪声的影响，时钟抖动往往也会更高。对于需要精确计时、更快唤醒和高速连接的应用，外部时钟是惟一选择。即使是没有上述要求的应用，外部时钟仍然可以提供比集成时钟更简单的时序解决方案，因为集成时钟涉及通过编写软件来配置内部PLL以获得所需频率。

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第29页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。