使用MEMS Oscillator的八大優勢
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月22
這些年科技水平越來越發達,不少產品的設計要求也隨之增高,MEMS Oscillator是一種性能比較高的振蕩器,因此許多產品工程師要求使用MEMS可編程晶體振蕩器,但是有很多人不明白,為什么要用MEMS Oscillator,比起其他SPXO,TCXO,OCXO,VCXO,VC-TCXO等類型振蕩器的優勢在哪里?今天金洛鑫電子收集了一些資料,為大家整理一下,為什么要用MEMS的理由,以及使用MEMS可編程振蕩器的八個優勢.
每個電子系統都需要一個計時裝置.晶體(XTAL)諧振器通常是首選解決方案.然而,振蕩器將諧振器與振蕩器IC配對成一個完整的集成定時器件,與XTAL相比具有多種優勢.MEMS定時技術進一步擴展了這些優勢.系統設計人員不再需要解決XTAL的局限性,并接受使用晶體設計的麻煩和風險.
1.即插即用振蕩器簡化了系統設計
從表面上看,使用石英晶體的振蕩器設計可能看起來很簡單,特別是考慮到這項技術的成熟.但是,當將晶體與振蕩器電路匹配時,需要考慮無數的設計參數.這些參數包括晶體運動阻抗,諧振模式,驅動電平和振蕩器負電阻,它是振蕩器增益的量度.此外,對于并聯諧振模式晶體,必須考慮負載電容,它應考慮PCB寄生電容以及振蕩器電路中可能包含的片上集成電容.
必須仔細考慮所有這些參數,以確保電路的可靠啟動和運行.由于振蕩器電路要求諧振器與石英晶體振蕩器電路緊密匹配,晶體供應商無法保證晶體的啟動.相比之下,振蕩器是一個完全集成的解決方案.振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配,從而減輕了電路板設計者的負擔.由于消除了匹配誤差,因此SiTime可以保證振蕩器的啟動.簡而言之,振蕩器是一種即插即用的解決方案,可大大簡化系統設計.
2.MEMS振蕩器提供更好的質量和可靠性
質量和可靠性至關重要-不僅公司聲譽受到威脅,而且重新工作可能既昂貴又耗時.此外,在戶外部署并暴露于環境壓力的系統必須特別堅固.石英諧振器雖然是成熟的技術,但涉及相當復雜的制造工藝,其中每個單獨的諧振器通常通過用離子束燒蝕金屬電極來調諧到所需的頻率.該步驟在晶體被封裝之前發生,并使石英晶振易受污染.這個過程以及其他石英制造復雜性導致石英的平均故障間隔時間(MTBF)低至1400萬到3800萬小時.對于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬分率(DPPM)高達50,對于二級石英供應商高達150.
與石英晶體的專業制造工藝相比,MEMS Oscillator制造商使用標準的半導體批量模式技術.這包括諧振器和振蕩器IC的晶圓級生產,以及采用塑料封裝的標準引線框架的芯片鍵合.
3.MEMS低頻振蕩器占用的電路板空間減少了65％
振蕩器是完全集成的解決方案,不需要外部組件,如電源去耦電容.SiTime的1.5mmx0.8mm(1508)占位面積比1.6mmx1.2mm的最小石英晶體占位面積小.當考慮到32kHz石英晶體所需的負載電容時,總電路板面積或XTAL解決方案的尺寸要大三倍以上.
4.振蕩器可以驅動多個負載,從而降低成本,BOM和電路板空間
振蕩器是一種有源電路,其輸出驅動器通常能夠根據驅動強度驅動2到3個負載.這使得振蕩器可以取代多個晶體及其相關電容,從而進一步降低了BOM,系統成本和電路板面積.
5.MEMS振蕩器對EMI的敏感度要低得多
在大多數系統中常見的電磁能量可以通過將晶體諧振器連接到包含有源晶振電路的IC的暴露的PCB跡線來拾取.該噪聲可以耦合到振蕩器電路并傳遞到輸出,可能會給系統增加抖動和噪聲.然而,集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒有暴露的PCB連接,并且將MEMS諧振器連接到IC的鍵合線或球非常短.這使得MEMS振蕩器對EMI的敏感性降低.如下表和曲線圖所示,SiTime振蕩器的靈敏度比晶體諧振器低11.3dBm(線性標度為134x).
該測試按照IEC62132-2標準進行,該標準將電磁能注入橫向電磁(TEM)電池,其中安裝了被測器件(DUT).
6.MEMS振蕩器對振動的敏感性要小得多
抗振性是重要的,因為電子系統經常暴露于環境壓力,尤其是戶外部署的系統.風,重型車輛和火車是許多外部振動源的幾個例子.此外,系統通常使用導致振動的冷卻風扇.這些振動應力會在晶體諧振器上引起頻移和噪聲.
某些需要非常穩定頻率的系統(例如無線基站和小型蜂窩)可能會因振動而出現系統故障和服務中斷.
MEMS振蕩器具有抗振性,因為MEMS諧振器的質量比石英諧振器的質量低約1,000至3,000倍.這意味著施加在MEMS結構上的給定加速度,例如來自沖擊或振動,將導致比其石英等效物低得多的力,因此引起低得多的頻移.第5頁上的圖表顯示,與石英振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器的振動靈敏度降低了10倍(更好).請注意,此圖是基于晶振而非無源晶體諧振器的測量結果,但預計石英晶體諧振器的結果可比.
7.MEMS振蕩器隨時可用
石英供應基礎設施具有若干約束條件,這可能導致較長的交付周期,大約12至16周甚至更長.一個限制因素是陶瓷封裝供應商數量有限.另一個限制因素是頻率選項的有限可用性.對于石英產品,除非使用可編程鎖相環(PLL),否則每個頻率都需要不同的晶體切割.因此,非標準頻率的提前期可能非常長.
與晶體諧振器相比,MEMS諧振器基于標準諧振器配置.通過將PLL編程為不同的乘法值來產生MEMS振蕩器的輸出頻率.這使得頻率范圍非常寬,具有六位精度.此外,硅MEMS振蕩器采用標準半導體工藝和封裝制造.由于MEMS振蕩器供應商利用非常大的半導體工業基礎設施,因此容量幾乎是無限
MEMS振蕩器樣本可在一天內編程并可用,即使對于非標準頻率也是如此.通過使用SiTime晶振的低成本Time MachineII編程器和現場可編程振蕩器,設計人員可以在他們的實驗室中立即對振蕩器進行編程,以創建具有任何頻率,任何電源電壓和器件工作范圍內任何穩定性的器件.生產周期僅為6至8周.
8.整個產品系列的一項資格
最終用途(系統)條件的合格組件會消耗大量時間和資源.但是,MEMS振蕩器可以降低認證工作量.SiTime產品基于可編程平臺,允許基礎產品系列中的每個器件產生各種頻率,電源電壓和穩定性.例如,如果已經投入資源以使特定輸出頻率的SiTime設備合格并且新的電路板設計需要不同的頻率,則現有的資格數據可以擴展到具有新頻率的部分.
相反,每個XTAL頻率需要不同的石英毛坯.如果設計要求頻率高于60MHz,則通常使用除基模石英之外的其他技術.三次泛音石英晶體通常用于更高頻率.該模式可能引入額外的挑戰以確保可靠的啟動(即,比基本模式更高的運動阻抗和不同的振蕩器電路),這需要鑒定.
結論:盡管存在固有的局限性,晶體幾十年來一直是電子計時的標準.與傳統石英晶體諧振器相比,SiTime的微機電系統振蕩器克服了這些限制,并提供了許多優勢.設計師不再需要接受XTALs帶來的頭痛和限制.
用微機電振蕩器取代XTALs的八大原因是:
1.振蕩器是’即插即用’——更容易設計,保證啟動;
2.質量和可靠性提高30倍–降低成本,增強穩健性;
3.更小的封裝和/或更少的蓋帽–減少印刷電路板面積;
4.驅動多個負載,替換2到3個石英晶體–降低成本、材料清單和印刷電路板面積;
5.對電磁能量的靈敏度降低高達134倍,更加堅固;
6.對振動的敏感度降低10倍,更加穩健;
7.可在任何頻率下提供–非常短的交付周期;
8.一個MEMS硅晶振產品覆蓋了很大的頻率范圍,減少了鑒定工作.
每個電子系統都需要一個計時裝置.晶體(XTAL)諧振器通常是首選解決方案.然而,振蕩器將諧振器與振蕩器IC配對成一個完整的集成定時器件,與XTAL相比具有多種優勢.MEMS定時技術進一步擴展了這些優勢.系統設計人員不再需要解決XTAL的局限性,并接受使用晶體設計的麻煩和風險.
從表面上看,使用石英晶體的振蕩器設計可能看起來很簡單,特別是考慮到這項技術的成熟.但是,當將晶體與振蕩器電路匹配時,需要考慮無數的設計參數.這些參數包括晶體運動阻抗,諧振模式,驅動電平和振蕩器負電阻,它是振蕩器增益的量度.此外,對于并聯諧振模式晶體,必須考慮負載電容,它應考慮PCB寄生電容以及振蕩器電路中可能包含的片上集成電容.
必須仔細考慮所有這些參數,以確保電路的可靠啟動和運行.由于振蕩器電路要求諧振器與石英晶體振蕩器電路緊密匹配,晶體供應商無法保證晶體的啟動.相比之下,振蕩器是一個完全集成的解決方案.振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配,從而減輕了電路板設計者的負擔.由于消除了匹配誤差,因此SiTime可以保證振蕩器的啟動.簡而言之,振蕩器是一種即插即用的解決方案,可大大簡化系統設計.
| 設計考慮 | MEMS振蕩器 | 水晶諧振器 |
| 晶體運動阻抗(ESR) | NO | Yes |
| 用于并聯諧振的串聯/并聯晶體諧振和調諧電容器 | NO | Yes |
| 振蕩器片上電容,用于正確的頻率調諧 | NO | Yes |
| 水晶驅動水平 | NO | Yes |
| 振蕩器負阻 | NO | Yes |
| 保證振蕩器啟動 | Yes | NO |
質量和可靠性至關重要-不僅公司聲譽受到威脅,而且重新工作可能既昂貴又耗時.此外,在戶外部署并暴露于環境壓力的系統必須特別堅固.石英諧振器雖然是成熟的技術,但涉及相當復雜的制造工藝,其中每個單獨的諧振器通常通過用離子束燒蝕金屬電極來調諧到所需的頻率.該步驟在晶體被封裝之前發生,并使石英晶振易受污染.這個過程以及其他石英制造復雜性導致石英的平均故障間隔時間(MTBF)低至1400萬到3800萬小時.對于最好的石英制造商而言,有缺陷的百萬分率(DPPM)高達50,對于二級石英供應商高達150.
與石英晶體的專業制造工藝相比,MEMS Oscillator制造商使用標準的半導體批量模式技術.這包括諧振器和振蕩器IC的晶圓級生產,以及采用塑料封裝的標準引線框架的芯片鍵合.
3.MEMS低頻振蕩器占用的電路板空間減少了65％
振蕩器是完全集成的解決方案,不需要外部組件,如電源去耦電容.SiTime的1.5mmx0.8mm(1508)占位面積比1.6mmx1.2mm的最小石英晶體占位面積小.當考慮到32kHz石英晶體所需的負載電容時,總電路板面積或XTAL解決方案的尺寸要大三倍以上.
振蕩器是一種有源電路,其輸出驅動器通常能夠根據驅動強度驅動2到3個負載.這使得振蕩器可以取代多個晶體及其相關電容,從而進一步降低了BOM,系統成本和電路板面積.
在大多數系統中常見的電磁能量可以通過將晶體諧振器連接到包含有源晶振電路的IC的暴露的PCB跡線來拾取.該噪聲可以耦合到振蕩器電路并傳遞到輸出,可能會給系統增加抖動和噪聲.然而,集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒有暴露的PCB連接,并且將MEMS諧振器連接到IC的鍵合線或球非常短.這使得MEMS振蕩器對EMI的敏感性降低.如下表和曲線圖所示,SiTime振蕩器的靈敏度比晶體諧振器低11.3dBm(線性標度為134x).
6.MEMS振蕩器對振動的敏感性要小得多
抗振性是重要的,因為電子系統經常暴露于環境壓力,尤其是戶外部署的系統.風,重型車輛和火車是許多外部振動源的幾個例子.此外,系統通常使用導致振動的冷卻風扇.這些振動應力會在晶體諧振器上引起頻移和噪聲.
MEMS振蕩器具有抗振性,因為MEMS諧振器的質量比石英諧振器的質量低約1,000至3,000倍.這意味著施加在MEMS結構上的給定加速度,例如來自沖擊或振動,將導致比其石英等效物低得多的力,因此引起低得多的頻移.第5頁上的圖表顯示,與石英振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器的振動靈敏度降低了10倍(更好).請注意,此圖是基于晶振而非無源晶體諧振器的測量結果,但預計石英晶體諧振器的結果可比.
7.MEMS振蕩器隨時可用
石英供應基礎設施具有若干約束條件,這可能導致較長的交付周期,大約12至16周甚至更長.一個限制因素是陶瓷封裝供應商數量有限.另一個限制因素是頻率選項的有限可用性.對于石英產品,除非使用可編程鎖相環(PLL),否則每個頻率都需要不同的晶體切割.因此,非標準頻率的提前期可能非常長.
MEMS振蕩器樣本可在一天內編程并可用,即使對于非標準頻率也是如此.通過使用SiTime晶振的低成本Time MachineII編程器和現場可編程振蕩器,設計人員可以在他們的實驗室中立即對振蕩器進行編程,以創建具有任何頻率,任何電源電壓和器件工作范圍內任何穩定性的器件.生產周期僅為6至8周.
8.整個產品系列的一項資格
最終用途(系統)條件的合格組件會消耗大量時間和資源.但是,MEMS振蕩器可以降低認證工作量.SiTime產品基于可編程平臺,允許基礎產品系列中的每個器件產生各種頻率,電源電壓和穩定性.例如,如果已經投入資源以使特定輸出頻率的SiTime設備合格并且新的電路板設計需要不同的頻率,則現有的資格數據可以擴展到具有新頻率的部分.
相反,每個XTAL頻率需要不同的石英毛坯.如果設計要求頻率高于60MHz,則通常使用除基模石英之外的其他技術.三次泛音石英晶體通常用于更高頻率.該模式可能引入額外的挑戰以確保可靠的啟動(即,比基本模式更高的運動阻抗和不同的振蕩器電路),這需要鑒定.
用微機電振蕩器取代XTALs的八大原因是:
1.振蕩器是’即插即用’——更容易設計,保證啟動;
2.質量和可靠性提高30倍–降低成本,增強穩健性;
3.更小的封裝和/或更少的蓋帽–減少印刷電路板面積;
4.驅動多個負載,替換2到3個石英晶體–降低成本、材料清單和印刷電路板面積;
5.對電磁能量的靈敏度降低高達134倍,更加堅固;
6.對振動的敏感度降低10倍,更加穩健;
7.可在任何頻率下提供–非常短的交付周期;
8.一個MEMS硅晶振產品覆蓋了很大的頻率范圍,減少了鑒定工作.
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