Si50x CMEMS振荡器架构

与此相反，CMEMS谐振器采用两种材料制造：多晶锗硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如图7所示，SiO2有一个与SiGe相反的温度系数。Si50x谐振器中对这些材料温度系数的平衡和设计生成个位数ppm/℃的温度系数，如图8所示。这种复合材料补偿提供了谐振器的被动补偿，允许CMOS系统使用更小、更简单、更低电能和更高成本效率的电路，以便更精确的补偿整个产品运行生命周期中的频率漂移。

图7. 模拟的SiO2和SiGe未补偿的温度系数曲线图显示±30-40ppm/℃

图8. 被动补偿的SiGe+SiO2谐振器曲线图（红线）显示~1ppm/℃温度系数

例如，如果谐振器有较大的温度系数，降低谐振器温度系数意味着来自温度传感器的随机测量波动（噪声）将按照更小的因数成比例关系驱动频率锁环路（FLL）产生预期的输出时钟。因此，一个更低功率（高噪声）的温度传感器能够用于获得与未补偿谐振器相同的性能等级。此外，因为被动补偿的谐振器的温度系数与未补偿的谐振器（~-1ppm 对 ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的温度计错误几乎不怎么影响振荡器系统性能。

Si50x CMEMS系列产品使用被动补偿谐振器作为其参考频率。它采用成本优化的、低功耗数字FLL架构去产生设备的系统和输出时钟，如图9所示。FLL使用MEMS参考频率连同来自片上数字控制的VCO的分频信号一起驱动频率比较器，该比较器可生成频率误差值并反馈它们给FLL数字环路滤波器。环路滤波器累积并进一步连同数字温度补偿信息一起处理频率误差值，生成数字码以通过DAC传输到VCO，最终生成目标输出频率。

图9. Si50x CMEMS振荡器架构和框图

该器件也使用温度补偿的信息去抵消任何MEMS振荡器的温度漂移。为了使FLL产生数字温度补偿信息，振荡器使用高分辨率、低噪声温度传感器和温度补偿算法。在最终测试中，每个芯片针对温度和MEMS谐振频率对进行校准，并把数值存储在片上存储器。当温度变动时，补偿电路使用该校准信息去为FLL器件驱动相关的高次多项式。采用CMEMS技术的单芯片集成电路使得频率控制系统变得快速和精准。由于整个系统在密闭的亚微米距离内，因此具有非常紧密的热耦合特性。

图10. Si50x CMEMS全温度范围内的频率稳定性

完整的FLL过程每秒发生成千上万次，提供全温度范围内极好的频率精确度和稳定度，如图10所示，振荡器也提供了这种环路架构的低功耗版本，它把FLL采样周期降低到一个较长的周期，并且提供低偏置电路给VCO，这为需要满足相关抖动规范的应用减少一半以上的功耗。

Si50x振荡器负荷测试性能

使用CMEMS工艺的器件在整个生命周期、温度范围和各种负荷中提供比其它现有技术更稳定的振荡器性能。这些好处将会减少现场故障，提高整个生命周期内的系统可靠性，帮助系统免于外部影响，从而获得更高可靠性。

使用经典的“魔鬼测试”，包括暴露在骤冷和骤热环境中，能够帮助快速验证CMEMS相关选项的好处。正如我们之前在图11和图12中讨论和演示的内容，双组件的解决方案容易受到热迟延影响，很难进行热环境下的系统补偿，导致操作频率有很大偏差。换句话说，单片CMEMS解决方案仅有极小的变化。这在非控制的或非预期的环境中提供了更好的稳定性。值得注意的是在两幅图中通过闭合的高精度Y轴坐标上展示了Si50x CMEMS振荡器的变化，而对于传统的晶体振荡器和MEMS振荡器图来说，由于偏差太大，它们在同样高精度的Y轴上难以观察。

图11. 晶体、MEMS和CMEMS振荡器的骤热测试结果

图12. 晶体、MEMS和CMEMS振荡器骤冷测试结果对比

与现有的混合技术相比，CMEMS长期老化性能也很优秀。图13提供了几个晶体和MEMS振荡器与Si50x CMEMS振荡器的对比图。在这个图中，晶体振荡器根据MIL-0-5530B在70℃进行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃进行老化，然后推算到相同时间。此外，CMEMS芯片对现有的MEMS技术方法进行了相当多的改进，为采用CMEMS技术的系统提供了整个生命周期内的更高稳定性。

图13. 晶体、MEMS和CMEMS振荡器老化测试结果对比

Si50x CMEMS 振荡器系列产品

Si50x CMEMS振荡器系列产品包括针对工业、嵌入式和消费电子市场的四种可编程芯片，如表1所示。每种芯片都可通过网络或现场定制。网络定制的样片可在两周内交付。芯片也可在客户办公室使用现场编程器电路板进行编程，如图14所示。这种灵活的可编程性，使得Si50x系列产品可以快速满足客户的特殊需求。

表1 - Si50x CMEMS振荡器系列产品概述