CMEMS撼動石英晶體振蕩器百年“霸業(yè)”

　　臺灣一個科學家做了一個實驗：他請了50名志愿者看房間內(nèi)所有藍色的物體30秒。然后請他們閉上眼睛，問他們看到了多少個紅色、綠色和黃色的物體?這下他們都傻眼了，因為他們只專注藍色的物體，沒有注意到其它顏色的物體。

　　其實，類似的情景在每個人身上幾乎都會發(fā)生，我們總是習慣性地選擇性忽視一些事物。發(fā)生在電子工程師身上的最新例證就是，CMEMS可編程振蕩器憑借完全集成的、高可靠性的CMEMS(CMOS+MEMS)技術，實現(xiàn)了更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度和更短交付周期的單晶片(single-die)振蕩器解決方案。然而，在由石英晶體(XO)解決方案壟斷上百年的頻率控制和定時產(chǎn)品市場中，工程師的慣性思維使得他們很難將目光從石英晶體振蕩器(XO)移向他的小伙伴CMEMS可編程振蕩器。

　　“現(xiàn)在，通過我們的不斷努力，越來越多的工程師和廠商接受了CMEMS這種時鐘產(chǎn)品，我們今年CMEMS產(chǎn)品的交貨量預計會有非常顯著的增長。”SiliconLabs(芯科實驗室有限公司)在中國的核心代理商世強產(chǎn)品經(jīng)理StevenZhang表示，“我們期待更多工程師能了解CMEMS可編程振蕩器的獨特優(yōu)勢，在更多的應用領域能撼動石英晶體振蕩器百年‘霸業(yè)’。”

　　頻率控制技術的演進

　　每年30億美元的頻率控制市場已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據(jù)了幾十年，幾乎所有類型的電子設備都依賴一小片由機器加工的石英巖的作用去生成至少一種可能的操作頻率。然而，基于石英的頻率控制設計仍有很多限制。例如，他需要更專業(yè)化和復雜生產(chǎn)流程，長的、易變動的交付時間(幾周到幾個月)等。

　　為了克服石英晶體的這些缺點，在過去的五年里，微機電系統(tǒng)(MEMS)解決方案開始發(fā)展。MEMS技術最初源于對更小外形尺寸的追求，目前已呈現(xiàn)出其他顯著的優(yōu)勢，包括交付時間、供應穩(wěn)定性、產(chǎn)品可靠性、器件尺寸和性價比等，這些優(yōu)勢使基于MEMS的振蕩器占有部分基于石英的頻率控制市場。如下圖1所示為頻率控制技術的演進。

　　盡管MEMS諧振器技術已經(jīng)解決了石英晶體的基本缺陷，但剛剛進入競爭激烈的頻率控制市場，它也存在一些缺點。首先，MEMS器件小于石英晶體，所以無法提供更多能量到振蕩周期。這意味著，在相同的頻率下轉換效率低，從而造成信噪比較差。第二，傳統(tǒng)的MEMS材料，例如單晶硅、多晶硅，甚至聚硅鍺，隨溫度變化的漂移顯著，這會帶來信號完整性和熱滯問題。

　　2010年，SiliconLabs通過收購一家名為SiliconClocks的公司，獲得了在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上，實現(xiàn)完全集成的、高可靠性的CMEMS技術。“在標準CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢想，已經(jīng)由SiliconLabs公司和他們最新推出的Si50xCMEMS振蕩器系列變?yōu)楝F(xiàn)實。”StevenZhang表示。

　　CMEMS技術是頻率控制市場的重要技術進步。通過結合MEMS和CMOS兩者的最好特性，CMEMS可編程振蕩器能夠為成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費類電子應用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。

　　CMEMS相比XO的優(yōu)勢

　　相比傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器(XO)，Si50xCMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優(yōu)點：

　　1、針對成本、空間和功耗敏感型應用的通用振蕩器;

　　2、定制樣片交付時間少于2周;

　　3、直接替換晶體振蕩器(XO);

　　4、在客戶現(xiàn)場使用現(xiàn)場編程器立即定制樣片;

　　5、高穩(wěn)定性和可預見性供應鏈;

　　6、在全溫度范圍、撞擊、震動等環(huán)境下，具有10年的高穩(wěn)定頻率輸出;

　　7、性能與XO相比，在震動、撞擊、溫度和老化環(huán)境下更可靠。

　　傳統(tǒng)的石英供應鏈復雜、高成本，且低效率。他們高定制化的制造流程(幾周到幾個月的交付時間)不僅增加供應鏈的管理難度，同時還限制參考振蕩器產(chǎn)生的頻率范圍。隨著計算、通信和網(wǎng)絡裝置的數(shù)據(jù)速率的增長，這種限制對提供高質(zhì)量高頻時鐘信號時鐘的合成將產(chǎn)生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡化了供應鏈。大大縮短交付時間(小于2周)和從kHz到GHz輸出頻率的無限可編程性。

　　“更好的諧振器等于更好的穩(wěn)定性，CMEMS技術確保數(shù)據(jù)手冊中的性能具有10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊接偏移、負載牽引、VDD變化、運行溫度范圍、振動和沖擊，并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍。”StevenZhang說。

　　Si50x在全溫度范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定的頻率參考，傳統(tǒng)的MEMS諧振器具有-30-40ppm/°C的頻率漂移，而CMEMS頻率漂移<±1ppm/°C。與其它解決方案相比，溫度穩(wěn)定性高5-10倍。如下圖3所示，使用經(jīng)典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，Si50x都表現(xiàn)出出色的頻率穩(wěn)定性。全溫度范圍內(nèi)具有更可靠的一致性工作性能，增強了目標應用的長期穩(wěn)定性。

　　此外，Si50x還是高穩(wěn)定和可靠的振蕩器，與同類晶體相比，原子質(zhì)量小于61000倍，這使它不易受撞擊、震動、加速度和老化影響。

　　Si50x強勢替代傳統(tǒng)XO

　　結合SiliconLabs混合信號的專業(yè)知識，CMEMS技術可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩(wěn)定，解決了熱滯或信號完整性問題，具有高度耐沖擊和振動能力，并具有10年以上的±20ppm頻率穩(wěn)定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會成為晶體振蕩器的替代解決方案。

　　Si50xCMEMS振蕩器系列產(chǎn)品包括針對工業(yè)、嵌入式和消費電子市場的四種可編程芯片，如下圖4所示。每種芯片都可通過網(wǎng)絡或現(xiàn)場定制。

　　“Si501/2/3/4是通用XO替代產(chǎn)品，適用于應用需要：低功耗(1–8mA)、低頻率，LVCMOS時鐘(<100MHz)、小尺寸(2.0x2.5mm)、低成本(~$0.5010KEAU)、高可靠性(高振動，高溫度)、好的消費/嵌入式抖動性能(1.1psRMS周期抖動)的系統(tǒng)中。”StevenZhang表示。

　　此外，針對消費類、嵌入式和工業(yè)中的通用定時需求，Si50x不僅是SoCs,CPLDs,mPs,FPGA數(shù)字邏輯的理想時鐘源，也是消費/嵌入式應用于中數(shù)據(jù)通路的理想時鐘源，例如，SAS,SATA,DDR3和PCIe。

　　“目前世強不推薦將Si50x用于通信應用，因為通信應用通常需要低相位抖動(<1psRMS12kHz-20MHz)，SiliconLabs晶體振蕩器(Si51x,Si53x,Si59x)更適用于這種應用。”“但是我們今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖動，更高頻率輸出的延續(xù)產(chǎn)品可以滿足眾多通訊時鐘需求。”StevenZhang強調(diào)。

　　如下圖5所示，Si50xCMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7xXO的性價對比表。Si50x系列產(chǎn)品完善了SiliconLabs的振蕩器產(chǎn)品系列。Si501/2/3/4系列產(chǎn)品針對工業(yè)、嵌入式和消費類市場中低成本、低功耗、通用目的振蕩器。而SiliconLabs的Si51x/9x/3x針對具有高性能、低相位抖動需求的通信和數(shù)據(jù)傳輸應用。

　　“Si50x振蕩器可提供網(wǎng)絡定制的2周樣品交付周期，世強的FAE還可以在客戶現(xiàn)場即刻編程，使用現(xiàn)場編程器進行0延時樣片交付。這種靈活的可編程性，使得Si50x系列產(chǎn)品可以快速滿足客戶的特殊需求。此外，Si50x振蕩器與現(xiàn)有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實現(xiàn)快速便捷的替換解決方案。”StevenZhang表示。

　　應用設計實例

　　Si50x應用目標鎖定于工業(yè)安防，變頻伺服等需要超長壽命需求，以及數(shù)碼相機、存儲和內(nèi)存、ATM機、POS機和多功能打印機等需要小封裝晶振的領域。能夠可靠和有效的用于典型的目標應用，包括：

　　SoC視頻應用處理器(Roku)

　　10/100快速以太網(wǎng)(SoC&NIC/LOM實現(xiàn))

　　USB2.0(480Mbps)

　　USB3.0(5Gbps)

　　DDR3

　　工業(yè)安防

　　通訊

　　作為眾多MCU的參考時鐘取代傳統(tǒng)晶振

　　如下圖7所示，在10/100快速以太網(wǎng)應用中，分別在低抖動和低功耗模式下測量Si501EVB的抖動。測試結果顯示，Si501在低抖動模式下幾乎與R&S高端信號發(fā)生器的隨機抖動性能相同，Si501在低功耗模式下抖動性能稍有下降，但仍具有可接受的系統(tǒng)抖動裕量。所以，Si50x適合作為10/100快速以太網(wǎng)參考時鐘。

　　如下圖8所示，在USB2.0的應用中，對比石英晶體振蕩器，Si501低抖動模式和低功耗模式的眼圖抖動性測試，所有配置均通過USB2.0兼容性測試，Si501性能等于或超過典型的解決方案，所以Si501適用于作為USB2.0的參考時鐘。

　　StevenZhang最后特別指出：“Si50x的產(chǎn)品定位就是取代傳統(tǒng)的XO，所以他的價錢也和XO相當，客戶不用擔心用不起。所以，工程師們請不要再囿于自己慣性思維的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS振蕩器已經(jīng)來了。”