MEMS振荡器的特点优势及为应用提供计时方案

John McDonald 发表于 2020-07-26 11:56:35 收藏 已收藏
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MEMS振荡器的特点优势及为应用提供计时方案

John McDonald 发表于 2020-07-26 11:56:35
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MEMS振荡器、谐振器和时钟产品是计时市场中新的、迅速成长的一部分。这些产品正在取代传统的石英和时钟芯片,它在单芯片上结合了上述两者的功能。不但如此,同样价格的MEMS产品比石英设备尺寸更小,还能提供极佳的可靠性,非常稳定,且抗冲击和振荡的性能也是最好的。MEMS振荡器的新功能还在不断增加。例如,MEMS振荡器现已成为目前市场上同等价格下尺寸最小的高质量因数(high-Q)振荡器、最稳定的高质量因数振荡器和尺寸最小的可编程振荡器。

时间就是金钱

一直以来,技术文章中都有对MEMS计时方案的价格竞争力的很多思索。然而,现在这些已不再成为问题,MEMS部件已经以具有竞争力的价格量产了。

MEMS制造工艺有极大的优势:200mm CMOS晶圆可以减少振动;标准的IC封装提高了可靠性且降低了成本;时钟输出频率的电子编程使得解决方案的成本更低。这些方案已经可以大批量生产,产品交付期也很短。担心石英供货能力跟不上的日子已经过去了。

上述这些MEMS计时方案的优势是针对初学者的。今年9月,最低抖动、尺寸最小的可编程振荡器工程样片就已经开始供应了,相位抖动(随机)仅为0.5ps,适合千兆位以太网、光纤通道和SATA/SAS设备。这一新的性能水平将MEMS可编程振荡器带入了曾经由昂贵的石英设备主导的应用领域。以后,这种高性能的趋势将继续提高MEMS谐振器和锁相环(PLL)的相位噪声性能。

新的0.4mm超薄振荡器也是在今年9月发布的。之所以能实现这一尺寸,是因为MEMS振荡器的晶圆厚度仅有0.15mm。这些振荡器和谐振器是适合超薄应用领域的高性能时钟源方案。我们可以想象它们用在智能卡、高密度存储模块和微小的无线节点。石英的本身很脆,这就限制了它用于很多薄型产品,同时这类应用也会降低产量,提高成本。

质量因数Q

下面我们从更具体的角度来看看计时领域发生的变化和MEMS振荡器有上述优势的原因。很多技术都曾承诺要取代商用级石英,但40多年来所有这些技术都没能实现这一目标。分析表明这些非石英计时技术之所以失败是因为它们大都不能达到石英固有的稳定性,也有些可以实现很好的稳定性的例子,但这些都比现有的石英解决方案的成本高出许多。

质量因数Q用来衡量谐振器保持其能量的效果。钟就是在现实生活中的具有高质量因数的例子,钟被敲响以后,钟声要经过很长时间才会消散。但如果敲一个质量因数很低的塑料杯子,其声能量几乎在敲响的瞬间就消失了。

石英厂商提供±5~±100ppm范围的产品,最常见的规格是±50~±100ppm。这些厂商之所以能实现这么好的稳定性是因为石英谐振器具有很高的质量因数50 000~250 000。在某些极其学术的应用中,石英的质量因数能达到1000 000~3000 000。MEMS谐振器也有很高的质量因数。SiTime公司的产品、Discera公司的技术资料和很多学术资料都证明已生产出的MEMS谐振器Q值大约是80 000,其最高可超过500 000。

Q值非常关键是因为它和稳定性成正比。Q值定义为谐振器被-3dB带宽分割的中心频率。一个Q值仅为100的谐振器会有一个很宽的质量因数曲线,其误差大约高达10 000ppm。因此,封装压力和过程中很小的误差都会对谐振器的频率产生影响。

频率稳定性,或说频率ppm误差实际上是被限于从谐振峰值测量-3dB的频带带宽的1/2。尽管最初进行了仔细的校准,Q值不到1000的谐振器每年的老化误差在几十到几百ppm都是可以接受的。MEMS谐振器50000±1%~200000±1%的Q值是由设计决定的。100000的Q值能产出大约10ppm的产品。

MEMS振荡器的特点优势及为应用提供计时方案

图1 未来MEMS将被直接集成到CMOS中

不是所有硅振荡器都一样

MEMS振荡器是用纯单晶硅制成的。不能把MEMS振荡器和基于低Q值的LC振荡电路的硅振荡器混为一谈。大部分基于LC振荡电路的硅振荡器的Q值很低,稳定性差。这类产品提供某种程度的可编程性能,适合为微处理器和一些对ppm要求不高的应用提供计时方案。

MEMS的未来

未来,MEMS将被直接集成到CMOS中,如图1所示。这种集成将带来很多好处,如尺寸更小、性能更高和生产更简单。MEMS方案无可比拟的尺寸优势将使无线节点和多芯片模块尺寸进一步缩小成为可能,同时还能使PCB上不再有石英。SiTime公司的EpiSEAL和MEMS First工艺就是能够实现与CMOS集成的实例。

最近的工艺发展已允许将先进的 0.18μm CMOS电路和功能齐全的MEMS成功的集成。

责任编辑:gt

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