MEMS振荡器挑战石英晶体在RF应用

除了极少数例外，所有的电子电路需要一个振荡器，也被称为一个时钟，时钟发生器，或定时电路。它的作用是提供“心跳”的处理器，内存的功能，通信端口，A / D和D / A转换器(如果有的话)等诸​​多功能。在非关键，低预算的情况下，如$ 10质量市场电子温度计，该时钟可以从一个简单的电阻器/电容器(RC)的振荡器制成。然而，对于这是更关键的场合绝大多数，振荡器是基于一个石英晶体(图1)。这是一个可以支持宽的频率范围从kHz到几百MHz，具有性能跨越相当卓越的，这取决于晶体切割，加工，包装等方面的考虑成熟的(80 +岁)和高效的技术。

图1：古老的石英晶体(而不是整个振荡器)由标准示意符号表示; b)该等效电路开始所示的简化模型中，但可以得到作为操作频率的增加，复杂得多。然而，晶体的进步已经达到了一个平台，而在计时功能的性能，尺寸，成本，和集成的需求正在增加。为了满足这些需求，一个新的和破坏性的方法是开始染指石英器件，基于硅MEMS(微机电系统)技术，该技术可以提供石英级性能，并在它适合于许多应用的性能和成本的水平。 MEMS器件已经高度发展和大批量用于感测压力，运动，和加速度，以及它们现在正扩展到一个新的角色。上的计时功能的要求是在RF应用，其中所述振荡器是不只是为处理器并且其中一个小的抖动是可以容忍的时钟特别具有挑战性。在射频，它建立基本载体/信道调谐处几百MHz而进入GHz范围内，以确保A / D和D / A转换器的正确计时。对于转换器，任何抖动转变成转换器噪声和失真，因此在RF设计的一个关键指标。

振荡器操作

一个晶体定时装置的结构和操作是基于长期已知压电原理，由此一个电信号诱导应力在晶体，并且反之亦然，以及：施加的应力使晶体以产生分钟电压。通过使用一个微小的板坯或坯件石英沿与合适的电路，石英用作调谐谐振器，以提供对整个电子系统精确地间隔的时钟信号。在基于MEMS的装置，一个完全不同的方法被使用。在模具芯的蚀刻的硅的作用就像一个音叉共鸣在期望频率，而在管芯附加电子电路的管理和放大该时钟信号(图2)。

图2：MEMS振荡器技术使用一个版本的音叉状谐振蚀刻到硅中，加上支持电路。(SiTime公司提供)有几十个第一，第二，甚至第三层参数，用于评估任何振荡器，无论是水晶或其它。所需的最低或最高值取决于应用，当然，但这些参数的相对权重的设计而变化。关键参数包括额定工作频率，绝对精度，衰老相关的稳定性，短期和长期漂移(温度系数和补偿)，抖动，工作温度范围，包装尺寸，工作电压，供给灵敏度，功耗，休克/振动性，启动时间，自动售货机的变化，和成本，举出几个。大多数这些以不同的方式和不同条件下测得的合法，这取决于两个应用要求以及任何历史背景。

MEMS的优势和现实

甲石英晶体基振荡器从多个部分，包括持有在包，同时也提供电触点(和一些冲击/振动阻力)经仔细切割和抛光石英毛坯，安装，及在壳体包本身(组装更多的背景看CTS的产品培训模块“水晶时钟振荡器”)。相反，MEMS振荡器是一个集成电路，作出标准工艺的CMOS生产线，采用8英寸晶片在大多数情况下。探测，微调和测试后，器件封装;再次，就像任何IC。因此，从用于常规集成电路的大规模生产批次技术和工艺的MEMS装置的好处。(了解更多的背景上的MEMS振荡器看到ABRACON产品培训模块上的ASFLM1系列)。基于MEMS的器件的其他优点包括：

•最终器件比石英版本小。这不仅节省了宝贵的电路板房地产，但它允许定时装置被放在更接近它的支持，更好的信号完整性和降低电磁干扰的设备。

•该MEMS振荡器可以具有内置在上述冲模，其可用于补偿电路从而提高性能对温度或电源轨变型有源电路。它也可以被用来提供完整振荡器功能，作为既不是石英晶体，也不是MEMS谐振器是由本身就是一个完整的振荡器(尽管该术语通常使用的方式);每一个需要一些相关的电路来驱动的核心要素时机和条件/缩放的输出。许多振荡器也需要锁相环乘以基振荡器频率到期望的载波频率，而这也可以是集成电路的一部分。

•完整的MEMS振荡器的核心，振荡电路和接口均功率低于同等石英功能。

•此外，工作完成，以允许共包装与它在相同的方式，存储器IC现在堆叠并共同封装与他们的微控制器或微处理器驱动(如A / D转换器)的集成电路的MEMS装置的裸片的。这将提供多种好处：更少的电路板房地产需要，简化了BOM，提高单的完整性，并经过测试，保证振荡器以及转换器的性能，而不关心PC机的布局问题(这是在RF的GHz范围内具有挑战性，往往令人沮丧电路)。

考虑到所有这些优点外，还有为什么MEMS器件还没有取代晶体振荡器几个原因：

•可用MEMS器件的性能可能尚未达到在特定应用中的要求。

•RF设计是相当谨慎的，因为定时功能是如此重要的系统性能。

•当晶体有其不足之处和文物，这些都相当了解。与此相反，MEMS器件的微妙和变化莫测刚开始被称为到的RF设计人员能够接受先进的设计水平。

•新的射频设计通常包含一个或几个新进入市场的组成部分，如高性能低噪声放大器或A / D和D / A转换器，但设计人员都不愿意去尝试太多新的组件。这是关于风险管理，有多少不熟悉设备的设计者是舒适使用一次，即使每个人都是潜在的有利。

•成本当然是：作为一种成熟的技术，液晶厂商已经设法通过经验和体积，使成本降下来。虽然MEMS器件提供了潜在的成本较低，这对一个案件逐案BOM基础上进行判断。

MEMS振荡器成为关闭的，现成的标准件

一些可用的微机电系统器件的定时说明这些组件的功能。例如，SiTime的SiT820​​9高频，超高性能的​​振荡器(图3)可订购80.000001和220 MHz之间的任何频率，精确的6位小数。对于过渡的方便，它被打包为一个引脚对引脚插入式替代石英振荡器，并设有只有0.5皮秒的超低相位抖动，随着频率稳定度低至±10ppm的。

图3：SiTime的SiT820​​9提供了非常低的抖动，关键的许多通信应用;当在3.3 V与LVCMOS输出操作显示的情节是相位噪声在156.25兆赫。 Silicon Labs还提供四大系列(Si501，Si502，Si503，Si504)，其成员在不同的额外功能，具有10年的频率稳定性，包括焊料转移，负载牵引，电源变化，工作温度范围，振动和冲击性能保证;销售商声称，这是10×媲美石英器件的保证。单元提供32千赫至100兆赫，和频率稳定性的选项之间的任何频率包括±20，±30和±50ppm的跨商业(-20?C至70℃)和工业(-40℃至85 4 C )温度范围。四导线装置(图4)与间1.71 V至3.63 V.任何供电轨操作

图4：Si501 / 2/3/4系列由Silicon Labs公司的成员都有相同的基本性能规格，但不同的附加功能的可用性，如输出使能和频率的选择。从麦克雷尔(图5)的麦克雷尔MEMS振荡器单元都可以从2.3至460兆赫操作(DSC1123，例如，具有156.25兆赫的频率)。典型RMS相位抖动低于1皮秒，而稳定性为±10订购，±25或±50 ppm的评级。该LVDS输出器件采用2.5×2.0，3.2×2.5，5.0×3.2和7.0×5.0毫米包，以适应现有的足迹，并要求2.25至3.6 V电源供电。销售商声称MTF(平均无故障时间)比石英器件的20倍。

图5：麦瑞半导体的DSC单位是“插入式”替代标准的6引脚LVDS石英晶体振荡器;设备只在使用使能控制销的不同。总结这是很难预测到什么程度基于MEMS的定时装置将取代已久的基于石英的结晶单元在RF设计，而这种转变需要多长时间。毫无疑问，MEMS器件以及未来在性能，尺寸，成本和包装潜在美德的好处让他们以较低的频率和增加在更高的RF频谱非常有吸引力的竞争。市场研究公司IHS日前预测，超过十亿MEMS计时单位出货量将在2016年，主要是为移动手持设备和消费电子产品。厂商看机会中，MEMS技术已在大众市场使用，它在前进和成熟，以及用户欢迎的益处，只要任何折衷 - 这显然将随应用 - 是可以接受的。