取代石英晶体的MEMS振荡器和全硅振荡器

“时钟和振荡器是所有电子系统的心跳”，正如Silicon Labs公司副总裁Dave Bresemann所说的，振荡器可谓电子系统正常运行的根本。

目前，绝大部分高性能电子系统的计时都是由石英晶体提供的。但是，随着IC的尺寸越来越小，由于不是采用硅材料，这些谐振器因为无法遵循摩尔定律而大大制约了计时方案缩小尺寸及降低成本。

是否有更小巧、更廉价的方案为电子系统提供更加稳健的心跳？答案是肯定的。近年来崭露头角的MEMS振荡器由于采用了CMOS工艺而更加易于集成并缩小尺寸，其市场已经初具规模；而今年陆续推出的全硅振荡器也瞄准了100MHz以下的大批量低频振荡器市场。

MEMS振荡器市场稳步增长
如图1所示，德国Wicht技术咨询公司（WTC）在今年3月预测，2012年MEMS振荡器的全球市场规模将达到1亿4千万美元。2007年的市场规模为250万美元，今后将以年均120%以上的速度高速增长，其主要原因是许多领域将用MEMS振荡器替换石英振荡器。

图1 MEMS振荡器的全球市场规模（2007-2012）

目前，制造MEMS振荡器的主要厂商有SiTime、Discera及Epson Toyocom等。SiTime和Discera制造硅材料的MEMS振荡器，而Epson Toyocom的MEMS振荡器是采用被该公司称为“QMEMS”的工艺制造的石英MEMS振荡器。

除SiTime、Discera和Silicon Clocks几家美国公司外，欧洲的恩智浦半导体、意法半导体等大企业都在投资MEMS振荡器的开发。另外，芬兰技术研究中心VTT、MEMS公司VTI及精工爱普生（Seiko Epson）等也在开发MEMS振荡器。

与采用硅材料的MEMS同理，以石英为原料进行精微加工（光刻）的小型化、高性能的晶体元器件被定义为QMEMS（Quartz + MEMS）。石英MEMS振荡器正开始取代手机及GPS中带温度补偿电路的晶体振荡器（TCXO）。另一方面，硅材料的MEMS振荡器与温度稳定性指标比较容易满足的晶体振荡器（XO）展开了竞争。最先采用硅材料MEMS振荡器的产品有数字电视、数码摄像机以及车载后视摄像头等。

WTC预计，2012年之前，由于对相位噪声和温度补偿相关的性能要求较为苛刻，硅材料的MEMS振荡器很难在TCXO市场上普及。MEMS振荡器在替代石英晶体和锁相环IC的SoC方案里最有可能实现增长。

MEMS既能作为可与CMOS集成的单芯片，又可在一个晶圆上构造多个谐振器成为SoC计时方案。这将带来更少的锁相环、更好的抖动性能以及更低的功耗和成本。

MEMS并不是能实现SoC计时的唯一方案，采用最新的工艺的硅材料LC振荡器技术，Mobius Microsystems等公司也致力于推出单芯片的解决方案以取代石英晶体和锁相环IC。

全硅振荡器技术不断突破
采用标准CMOS工艺的全硅振荡器的推出使去掉被称为主流电子应用中最后一个非CMOS器件的石英振荡器成为可能。

采用Mobius Microsystems专利的CMOS谐波振荡器（CHO）技术，今年4月推出的MM8511 振荡器用一片单片CMOS裸片同时取代了石英晶体和锁相环IC。无须外接谐振器，该裸片就可生成扩频时钟。去掉石英晶体增强了可靠性，而去掉锁相环后能降低时钟抖动，并获得更低的相位噪声和功耗。

Silicon Labs今年9月推出的全CMOS振荡器Si500与MM8511相比，在频率范围和抖动性能等方面又有提升。Si500能提供原厂设定的     0.9～200 MHz间的任何频率，100MHz抖动小于0.8ps，可与石英振荡器媲美。

Si500采用创新的混合信号模拟电路，能补偿因为操作温度范围、起始频率准确性、供应电压变化和输出负载改变所造成的频率差异。值得一提的是，Si500能提供与石英振荡器相当的温度稳定性，支持±100～±150×10-6的频率稳定性选择，并拓展了与石英振荡器的兼容性。此外，Si500不仅可支持CMOS和SSTL，还可以支持差分时钟输出（LVPECL、LVDS、HCSL)，提供了更进一步的设计弹性，并提升了信号完整性。Si500是支持CMOS双输出模式的振荡器，单一元器件可在相同的频率上产生两个输出时钟，因此便不再需要额外的时钟缓冲器。

如图2所示，传统的石英振荡器依赖机械式谐振器进行振荡，因此极易受到撞击和震动的影响，此外，还必须进行密封组装，以防止晶体受到污染，但这会影响器件的性能。而全硅振荡器没有移动元器件，所以不易受到撞击及震动的影响，且不会受到污染，因而采用塑料封装无须密封，使得启动及工作更为可靠。

图2 石英振荡器和全硅振荡器的比较

以Si500为例，因其无须针对每一个频率进行切割并调谐的石英谐振器，转而使用超低相位噪声的硅振荡器，可以采用标准而大量的IC工艺制造。这些元器件为原厂设定，无须传统石英振荡器复杂的制造流程，从而大幅缩短了交货时间，将原先的12周起缩短至2周。

进军传统晶振市场
如图3所示，Silicon Labs公司资深营销经理James Wilson先生把振荡器市场分为四个层次。分别为小批量高端市场（包括恒温晶体振荡器OCXO和高端温度补偿晶体振荡器TCXO）、高频市场（频率大于100MHz的晶体振荡器和压控振荡器VCXO）、大批量低频市场（频率小于100MHz的晶体振荡器）以及更大批量的计时市场（包括手机用TCXO、GPS用TCXO、晶体和谐振器）。

图3 振荡器市场划分

全硅振荡器的频率范围和性能优势使其能大举进入包括消费类、计算、成像、存储和工业控制领域的大批量低频晶振市场，这一市场总价值为6亿美元。而MEMS振荡器的适用范围更广，石英MEMS振荡器开始替代手机和GPS中采用的TCXO，而硅材料MEMS振荡器则能够提供更高精度的计时，在千兆位以太网、光纤通道和SATA/SAS等设备中取代传统的石英振荡器。