除了極少數例外，每個(gè)電子電路需要一個(gè)振蕩器，也稱(chēng)為時(shí)鐘，時(shí)鐘發(fā)生器，或定時(shí)電路。它的作用是為處理器、存儲器功能、通信端口、A/D和D/A轉換器(如果有的話(huà))以及許多其他功能提供“心跳”。在非關(guān)鍵的、低預算的情況下，例如10美元的大規模市場(chǎng)電子溫度計，這個(gè)時(shí)鐘可以由簡(jiǎn)單的電阻器/電容器(RC)振蕩器制成。然而，對于絕大多數更為關(guān)鍵的情況，振蕩器基于石英晶體(圖1)。這是一個(gè)成熟的(80年以上)和高效率的技術(shù)，可以支持從KHz到數百MHz的寬范圍的頻率，性能跨越相當好到優(yōu)秀，這取決于晶體切割，制造，包裝，和其他考慮。

　　石英晶體標準圖像符號

 

　　圖1：可尊敬的石英晶體(但不是整個(gè)振蕩器)由標準的示意符號表示;b)等效電路從簡(jiǎn)化的模型開(kāi)始，但隨著(zhù)工作頻率的增加，可以變得更加復雜。

　　然而，晶體的進(jìn)展已經(jīng)達到了平穩期，而對定時(shí)功能的性能、尺寸、成本和集成的要求也在不斷增加。為了滿(mǎn)足這些需要，一種新的和破壞性的方法開(kāi)始侵蝕石英器件，基于硅MEMS(微機電系統)技術(shù)，該技術(shù)可以提供石英級性能，并且在性能和成本水平上適合于許多應用。MEMS器件已經(jīng)被高度開(kāi)發(fā)并用于高容量以檢測壓力、運動(dòng)和加速度，并且它們現在被擴展到一個(gè)新的角色。

　　定時(shí)功能的要求在RF應用中尤其具有挑戰性，其中振蕩器不僅是處理器的時(shí)鐘，而且可以容忍小抖動(dòng)。在RF中，它在數百MHz和GHz范圍內建立基本載波/信道調諧，以確保A/D和D/A轉換器的正確時(shí)鐘。對于轉換器，任何抖動(dòng)轉換成轉換器噪聲和失真，因此在RF設計中是一個(gè)關(guān)鍵規范。

　　振蕩器工作

　　晶體定時(shí)裝置的結構和操作基于長(cháng)期已知的壓電原理，由此電信號在晶體中引起應力，并且反過(guò)來(lái)也是正確的：施加的應力使晶體產(chǎn)生微小的電壓。通過(guò)使用一個(gè)小的平板或石英的空白，以及適當的電路，石英充當調諧諧振器，以提供精確的間隔時(shí)鐘信號，用于整個(gè)電子系統。

　　在基于MEMS的設備中，使用了根本不同的方法。在芯片的芯處蝕刻的硅的作用類(lèi)似于在期望的頻率下諧振的音叉，而芯片上的附加電子電路管理和放大該時(shí)鐘信號(圖2)。

　　MEMS振蕩器技術(shù)的圖像

　　圖2：MEMS振蕩器技術(shù)使用一種類(lèi)似于音叉的諧振器蝕刻到硅中的版本，加上支持電路。

　　有幾十個(gè)第一，第二，甚至第三層參數，用來(lái)評估任何振蕩器，無(wú)論是水晶或其他。所需的最小值或最大值當然取決于應用，但是這些參數的相對權重隨設計而變化。

　　關(guān)鍵參數包括標稱(chēng)工作頻率、絕對精度、老化相關(guān)穩定性、短期和長(cháng)期漂移(溫度系數和補償)、抖動(dòng)、工作溫度范圍、封裝和尺寸、工作電壓、電源靈敏度、功耗、沖擊/振動(dòng)R。感謝，啟動(dòng)時(shí)間，供應商的變化，和成本，引用一些。這些都是在不同的方式和不同的條件下合法地測量的，這取決于應用需求和任何歷史背景。

　　微機電系統的優(yōu)勢與現實(shí)

　　石英晶體振蕩器由多個(gè)部件組裝而成，包括精心切割和拋光的石英坯料、安裝在封裝中的安裝件，同時(shí)還提供電接觸(和一些抗沖擊/振動(dòng))，以及外殼封裝本身(對于更多的背景SE)。CTS產(chǎn)品培訓模塊“水晶時(shí)鐘振蕩器”。相反，MEMS振蕩器是在標準工藝CMOS生產(chǎn)線(xiàn)上制造的IC，在大多數情況下使用8英寸晶片。在探測、修整和測試之后，該設備被包裝;再次，就像任何IC一樣。因此，MEMS器件受益于用于常規IC的批量生產(chǎn)技術(shù)和工藝。(對于MEMS振蕩器的附加背景，見(jiàn)其ASFLM1系列上的ABracon產(chǎn)品培訓模塊)�；�于MEMS的器件的其它優(yōu)點(diǎn)包括：

　　最后的裝置比石英版小。這不僅節省了寶貴的PC板房地產(chǎn)，但它允許定時(shí)裝置更靠近它所支持的設備，以更好的信號完整性和減少EMI。

　　MEMS振蕩器可以具有建立在芯片上的有源電路，該電路可用于補償性能相對于溫度或供電軌變化的補償電路。它也可以用來(lái)提供完整的振蕩器功能，因為無(wú)論是石英晶體還是MEMS諧振器本身都不是一個(gè)完整的振蕩器(盡管這個(gè)術(shù)語(yǔ)通常是這樣使用的);每一個(gè)都需要一些相關(guān)的電路來(lái)驅動(dòng)核心時(shí)序元件和條件/縮放輸出。許多振蕩器還需要鎖相環(huán)將基波振蕩器頻率乘以所需載波頻率，這也可以是IC的一部分。

　　完整的MEMS振蕩器核心、振蕩器電路和接口比等效石英功能低功率。

　　此外，正在進(jìn)行工作以允許MEMS器件的芯片與其驅動(dòng)的IC(例如A/D轉換器)的共同封裝，以相同的方式存儲存儲器IC現在堆疊并與微控制器或微處理器一起封裝。這將提供多個(gè)好處：較少的板房地產(chǎn)需要，簡(jiǎn)化BOM，改進(jìn)的單一完整性，以及測試和保證性能的振蕩器加轉換器不關(guān)心PC布局問(wèn)題(這是具有挑戰性的，往往令人沮喪的在GHz范圍的RF電路)。

　　鑒于所有這些優(yōu)點(diǎn)，MEMS器件沒(méi)有移位晶體振蕩器的原因有幾個(gè)：

　　可用的MEMS器件的性能可能還不滿(mǎn)足特定應用的要求。

　　RF設計者相當謹慎，因為定時(shí)功能對系統性能是至關(guān)重要的。

　　雖然晶體有其缺點(diǎn)和工件，這些都是相當清楚地理解。相反，MEMS器件的微妙和變化莫測，只有RF設計者能夠接受前沿設計的水平。

　　新的RF設計通常包含一個(gè)或幾個(gè)新的市場(chǎng)組件，如高性能LNAs或A/D和D/A轉換器，但是設計者不愿意嘗試太多的新組件。這是關(guān)于風(fēng)險管理和有多少不熟悉的設備，設計者一次使用就很舒服，即使每一個(gè)都是潛在的有益的。

　　當然，成本是一個(gè)成熟的技術(shù)，水晶供應商已經(jīng)通過(guò)經(jīng)驗和體積來(lái)降低成本。雖然MEMS器件提供了更低成本的潛力，但必須根據逐個(gè)BOM的情況來(lái)判斷。

　　MEMS振蕩器成為現成的標準件

　　一些可用的MEMS定時(shí)設備說(shuō)明了這些組件的能力。例如，SITEM SIT8209高頻、超性能振蕩器(圖3)可以在80.000001至220兆赫之間的任何頻率下排序，精確到六位小數。為了過(guò)渡的方便，它被封裝為用于更換石英振蕩器的引腳跌落銷(xiāo)，其特征在于超低相位抖動(dòng)僅為0.5秒，頻率穩定度低至±10 ppm。此外，SIMTIME還提供了許多適用于不同應用設計要求的MEMS器件系列。

　　SITIM-SIT8209的圖像

　　圖3：SITIME SIT8209提供非常低的抖動(dòng)，對許多通信應用至關(guān)重要;圖中示出的是當在3.3 V與LVCMOS輸出一起工作時(shí)在156.25 MHz的相位噪聲。

　　硅實(shí)驗室提供四系列(SI501，SI502，SI503，SI504)，其成員在額外的特性上有所不同，保證了10年的頻率穩定性，包括焊錫移位、負載拉動(dòng)、電源變化、工作溫度范圍、振動(dòng)和沖擊;供應商聲稱(chēng)這是10�？杀仁�英器件的保證。該單元提供32 kHz至100 MHz之間的任何頻率，并且頻率穩定性選項包括±20、±30和±50 ppm跨商用(-20℃至70℃)和工業(yè)(-40℃至85℃)的溫度范圍。四個(gè)引線(xiàn)裝置(圖4)在+V至+3.63 V之間的任何供電軌上工作。

　　Si501/2/3/4族硅實(shí)驗室圖像

　　圖4：來(lái)自硅實(shí)驗室的SI501/2/3/4族的成員具有相同的基本性能規格，但在諸如輸出使能和頻率選擇等額外功能的可用性方面有所不同。

　　麥克雷爾的Micrel MEMS振蕩器單元(圖5)可在2.3至460 MHz的頻率下工作(例如，DSC1123的頻率為156.25 MHz)。典型的RMS相位抖動(dòng)低于1 psec，穩定性可以在±10，±25或±50 ppm的額定值下訂購。 LVDS輸出器件采用2.5×2.0,3.2×2.5,5.0×3.2和7.0×5.0 mm封裝，以適應現有封裝，需要2.25至3.6 V電源。該廠(chǎng)商宣稱(chēng)MTF(平均無(wú)故障時(shí)間)比石英設備好20倍。

　　麥克雷爾DSC單元的圖像

　　圖5：麥瑞半導體的DSC單元是標準6引腳LVDS石英晶體振蕩器的“插入式”替代產(chǎn)品;設備僅在啟用控制引腳的使用方面有所不同。

　　概要

　　很難預測基于MEMS的時(shí)序器件在多大程度上取代了RF設計中長(cháng)期建立的基于石英的晶體單元，以及這種轉換需要多長(cháng)時(shí)間。毫無(wú)疑問(wèn)，MEMS單元的優(yōu)勢及其在性能，尺寸，成本和封裝方面的未來(lái)潛在優(yōu)勢使其在低頻率下的競爭非常激烈，并越來(lái)越多地進(jìn)入更高的RF頻譜。