作者 / 王影 《電子產品世界》編輯(100036)

1 MEMS是時鐘市場的新勢力

　　據SiTime負責市場營銷的執行副總裁Piyush Sevalia介紹，時鐘產業約為60億美元規模，每年的產值成長率約5%~10%。MEMS時鐘市場目前小于5%的份額，但每年的成長率高達約70%到80%，可見增速很快。

　　為何MEMS時鐘的增速更快?Piyush解釋道，半導體的特點是集成度越來越高，所以可以在單位容積里提供越來越多的功能和高性能，而且半導體的量產效率較高，一致性也高，所以半導體在很多應用場合取代了舊有的技術，例如數碼相機的存儲芯片取代了傳統相機的膠卷，電子管、晶體管取代了真空管。以此類推，隨著應用對環境因素要求越來越高，半導體MEMS時鐘也有很好的發展機會。

　　5G、消費電子等是MEMS時鐘的發展機會。

2 5G應用的時鐘的挑戰

　　隨著進入5G時代，移動運營商的無線設備需要更嚴苛的時間同步，因此必須使用 OCXO(恒溫振蕩器)。而在5G 之前，這種OCXO 部署在控制良好的環境中。但是現在和即將到來的5G時代，計算、核心網絡和無線拆分成系統部署在不受控制的環境中，諸如信號塔、屋頂和燈柱。在這些環境下，OCXO將受到振動和極端溫度的影響。　　所以部署架構的這種變化需要新的思考，相比于其他應用，需要有更低的頻率穩定性、相位抖動、短穩(阿倫方差)和小尺寸(如圖1)。這時，相比于傳統的石英定時技術，MEMS解決方案脫穎而出。

　　2.1 MEMS相比石英方案的優勢

　　近日， SiTime宣布推出了面向5G基礎設施的MEMS 時序解決方案——Emerald平臺，不僅可將5G設備部署到任何環境中，而且體積更小、性能更高，具有可編程性。

　　據SiTime稱，Emerald平臺也是業界首款MEMS 恒溫振蕩器。OCXO可在時序中提供頂級性能，是所有通信網絡可靠運行的關鍵。

　　然而，基于石英的OCXO對諸如振動、溫度變化和沖擊等環境壓力因素較為敏感，客戶必須采取大量預防措施以確保可靠運行。一大難題是OCXO的電路板布局。OCXO在布局時需要遠離壓力因素，例如熱量和氣流誘發的熱沖擊。這導致了布線復雜和潛在的信號完整性問題。此外，設計人員也嘗試使用專門的塑封型OCXO蓋進行熱隔離，但這會增加制造步驟和生產復雜性。Emerald平臺MEMS OCXO消除了這些問題，是市場上少有的可以達到3E時鐘標準的OCXO，外形尺寸僅為9 mm×7 mm，OCXO頻率穩定性達到±5 ppb。

　　另外，SiTime還提供可編程性。而傳統石英 OCXO是從頭定制的產品。它們在特性的可用性方面存在嚴重限制，例如頻率、輸出類型、工作溫度和系統內控制。“SiTime 的 Emerald 平臺 MEMS OCXO 則沒有這些限制。”Piyush先生稱，通過使用可編程模擬架構，Emerald OCXO可提供1~220 MHz范圍內任意頻率，確保客戶能為自己的應用選擇最佳頻率。在不久的將來，Emerald OCXO 將提供更廣闊的工作溫度范圍(-40 到 +95℃，-40 到 +105℃)和用于系統內編程的 I2C 串行接口。

　　2.2 Emerald為何可以做得很小?

　　原來的石英諧振子在圖2的鐵殼里，Emerald的諧振子在哪里?

　　如圖3，其中最小的黑點就是SiTime的諧振子，只有0.4 mm×0.4 mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的體積。

　　2.3 MEMS為什么抗振性好?

　　人們在用傳統石英做OCXO時，可能會遇到一個很重要的問題就是外界的振動怎樣解決?因為振動會影響壓力。

　　但是由于SiTime的諧振子非常小，這意味著同樣外界的壓力對它造成的變異能力較小，所以它受外界頻率等環境的影響較小。由此可見，從體積這個本質上就能解決抗振性的問題。

　　2.4 頻率可編程的用途

　　Emerald平臺是1~220 MHz可編程的，這在5G領域有什么樣的應用場景?

　　分為兩個部分回答。第一部分，相比固定頻率OCXO，隨著未來5G系統的復雜性要求較多時，系統工程師可能需要的頻率不在目前市場上找得到的固定頻率范圍內，因此可以迅速提供不同頻率。

　　第二部分，現在進行可編程很方便。由于有了I2C在線編程，解放了工程師原來要靠傳統OCXO供應商給他一個固定頻率，現在工程師通過I2C數字接口，在系統內部就可以通過軟件的方式編程OCXO所需要的頻率。另外，工程師可以通過I2C接口去讀取OCXO內部的溫度，作為其系統設計時候的一個參考。第三，還可以讀取OCXO內部的工作狀態，并做校正。第四，OCXO有老化的問題，如果5G系統安裝到市場上以后，十年以后OCXO的精度變化，系統設備工程師如果要去校正該OCXO，以往的方式只能到是現場拆開機器更換板子或OCXO。未來通過在線編程，工程師可以做遠程校正。這就像手機現在不需要送維修廠，就可以做軟件升級一樣。

3 面向緊湊型消費電子的MEMS時鐘

　　緊湊型物聯網和便攜式電子設備需要小面積同時能延長電池壽命的解決方案。時序器件是這類產品運行的關鍵，但時鐘源通常需要多個組件來滿足消費類電子設備的頻率要求，導致較高的電路板空間占用和功耗。

　　2018年11月，Microchip Technology Inc.(美國微芯科技公司)推出了多路輸出MEMS時鐘發生器DSC613，據稱為時序組件節省多達80%的電路板空間，靈活的解決方案覆蓋寬頻率范圍，無需外部晶振，適合要求低功率運行的小型設備，例如數碼相機、智能揚聲器、虛擬現實(VR)頭盔、流媒體播放棒和機頂盒等。

　　3.1 相比傳統石英晶體時序的優勢

　　Microchip時序和通信組產品營銷經理Song Li告訴電子產品世界的記者，與傳統的石英晶體時序解決方案相比，Microchip的MEMS時鐘發生器具有諸多優勢，前三大優勢如下。

　　第一個優勢是節省電路板空間。DSC613取代了三個晶體/振蕩器，只需將1.6 mm×1.2 mm的DSC613封裝尺寸與三倍大的2.0 mm×1.6 mm晶體封裝尺寸進行比較便可發現，它至少節省了80%的電路板空間。而在傳統解決方案中，每個晶體還需要兩個負載電容，這會進一步占用電路板空間。總之，DSC613最多可以取代9個元件，節省80%以上的電路板空間。

　　第二個優勢是在極寬的溫度范圍內保證ppm穩定性。客戶可以訂購溫度范圍為-40至125℃、精度為±20 ppm的DSC613器件。另一方面，石英晶體解決方案還需要匹配電容來確保初始ppm精度。由于晶體靠近主芯片時溫度會發生變化，晶體ppm將按“S”曲線漂移，這可能導致系統中出現性能和穩定性問題。像DSC613這樣的MEMS時鐘發生器具有片上溫度補償電路，支持實時校正ppm漂移。因此，它可以在非常靠近主芯片時仍然保持ppm精度。

　　第三個優勢是消除了電路板上的晶體起振問題。如果主芯片中的振蕩器電路沒有足夠的驅動強度來克服晶體的等效串聯電阻(ESR)，晶體便無法開始振蕩。隨著晶體封裝尺寸逐漸減小，ESR急劇增大。如今，客戶必須使用小型封裝晶體，以便在微型印刷電路板(PCB)上布置更多元件，這提高了發生晶體起振問題的風險。MEMS時鐘發生器使用匹配的內部振蕩器電路來驅動MEMS諧振器，從而消除了晶體起振問題。

　　Microchip有很強的設計，可以自行設計PLL(低功率鎖相環)。DSC613具有兩個低功耗小數分頻PLL，可產生2 kHz至100 MHz之間的任何頻率。它還支持擴頻時鐘來降低EMI。

　　3.2 相比芯片內置時鐘，外置時鐘器件的優勢

　　一些MCU或SoC等芯片內部已集成了時鐘，外置時鐘的好處是什么?

　　這取決于每個客戶的應用。由于制造公差的原因，MCU或SoC中集成的時鐘通常只能支持有限的ppm精度(測量單位為百分比而非ppm)。受芯片內部噪聲的影響，時鐘抖動往往也會更高。對于需要精確計時、更快喚醒和高速連接的應用，外部時鐘是惟一選擇。即使是沒有上述要求的應用，外部時鐘仍然可以提供比集成時鐘更簡單的時序解決方案，因為集成時鐘涉及通過編寫軟件來配置內部PLL以獲得所需頻率。

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第12期第29頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。