取代石英晶體的MEMS振蕩器和全硅振蕩器

“時鐘和振蕩器是所有電子系統(tǒng)的心跳”，正如Silicon Labs公司副總裁Dave Bresemann所說的，振蕩器可謂電子系統(tǒng)正常運行的根本。

目前，絕大部分高性能電子系統(tǒng)的計時都是由石英晶體提供的。但是，隨著IC的尺寸越來越小，由于不是采用硅材料，這些諧振器因為無法遵循摩爾定律而大大制約了計時方案縮小尺寸及降低成本。

是否有更小巧、更廉價的方案為電子系統(tǒng)提供更加穩(wěn)健的心跳？答案是肯定的。近年來嶄露頭角的MEMS振蕩器由于采用了CMOS工藝而更加易于集成并縮小尺寸，其市場已經(jīng)初具規(guī)模；而今年陸續(xù)推出的全硅振蕩器也瞄準了100MHz以下的大批量低頻振蕩器市場。

MEMS振蕩器市場穩(wěn)步增長
如圖1所示，德國Wicht技術咨詢公司（WTC）在今年3月預測，2012年MEMS振蕩器的全球市場規(guī)模將達到1億4千萬美元。2007年的市場規(guī)模為250萬美元，今后將以年均120%以上的速度高速增長，其主要原因是許多領域將用MEMS振蕩器替換石英振蕩器。

圖1 MEMS振蕩器的全球市場規(guī)模（2007-2012）

目前，制造MEMS振蕩器的主要廠商有SiTime、Discera及Epson Toyocom等。SiTime和Discera制造硅材料的MEMS振蕩器，而Epson Toyocom的MEMS振蕩器是采用被該公司稱為“QMEMS”的工藝制造的石英MEMS振蕩器。

除SiTime、Discera和Silicon Clocks幾家美國公司外，歐洲的恩智浦半導體、意法半導體等大企業(yè)都在投資MEMS振蕩器的開發(fā)。另外，芬蘭技術研究中心VTT、MEMS公司VTI及精工愛普生（Seiko Epson）等也在開發(fā)MEMS振蕩器。

與采用硅材料的MEMS同理，以石英為原料進行精微加工（光刻）的小型化、高性能的晶體元器件被定義為QMEMS（Quartz + MEMS）。石英MEMS振蕩器正開始取代手機及GPS中帶溫度補償電路的晶體振蕩器（TCXO）。另一方面，硅材料的MEMS振蕩器與溫度穩(wěn)定性指標比較容易滿足的晶體振蕩器（XO）展開了競爭。最先采用硅材料MEMS振蕩器的產(chǎn)品有數(shù)字電視、數(shù)碼攝像機以及車載后視攝像頭等。

WTC預計，2012年之前，由于對相位噪聲和溫度補償相關的性能要求較為苛刻，硅材料的MEMS振蕩器很難在TCXO市場上普及。MEMS振蕩器在替代石英晶體和鎖相環(huán)IC的SoC方案里最有可能實現(xiàn)增長。

MEMS既能作為可與CMOS集成的單芯片，又可在一個晶圓上構造多個諧振器成為SoC計時方案。這將帶來更少的鎖相環(huán)、更好的抖動性能以及更低的功耗和成本。

MEMS并不是能實現(xiàn)SoC計時的唯一方案，采用最新的工藝的硅材料LC振蕩器技術，Mobius Microsystems等公司也致力于推出單芯片的解決方案以取代石英晶體和鎖相環(huán)IC。

全硅振蕩器技術不斷突破
采用標準CMOS工藝的全硅振蕩器的推出使去掉被稱為主流電子應用中最后一個非CMOS器件的石英振蕩器成為可能。

采用Mobius Microsystems專利的CMOS諧波振蕩器（CHO）技術，今年4月推出的MM8511 振蕩器用一片單片CMOS裸片同時取代了石英晶體和鎖相環(huán)IC。無須外接諧振器，該裸片就可生成擴頻時鐘。去掉石英晶體增強了可靠性，而去掉鎖相環(huán)后能降低時鐘抖動，并獲得更低的相位噪聲和功耗。

Silicon Labs今年9月推出的全CMOS振蕩器Si500與MM8511相比，在頻率范圍和抖動性能等方面又有提升。Si500能提供原廠設定的 0.9～200 MHz間的任何頻率，100MHz抖動小于0.8ps，可與石英振蕩器媲美。

Si500采用創(chuàng)新的混合信號模擬電路，能補償因為操作溫度范圍、起始頻率準確性、供應電壓變化和輸出負載改變所造成的頻率差異。值得一提的是，Si500能提供與石英振蕩器相當?shù)臏囟确€(wěn)定性，支持±100～±150×10-6的頻率穩(wěn)定性選擇，并拓展了與石英振蕩器的兼容性。此外，Si500不僅可支持CMOS和SSTL，還可以支持差分時鐘輸出（LVPECL、LVDS、HCSL)，提供了更進一步的設計彈性，并提升了信號完整性。Si500是支持CMOS雙輸出模式的振蕩器，單一元器件可在相同的頻率上產(chǎn)生兩個輸出時鐘，因此便不再需要額外的時鐘緩沖器。

如圖2所示，傳統(tǒng)的石英振蕩器依賴機械式諧振器進行振蕩，因此極易受到撞擊和震動的影響，此外，還必須進行密封組裝，以防止晶體受到污染，但這會影響器件的性能。而全硅振蕩器沒有移動元器件，所以不易受到撞擊及震動的影響，且不會受到污染，因而采用塑料封裝無須密封，使得啟動及工作更為可靠。

圖2 石英振蕩器和全硅振蕩器的比較

以Si500為例，因其無須針對每一個頻率進行切割并調諧的石英諧振器，轉而使用超低相位噪聲的硅振蕩器，可以采用標準而