小器件大創(chuàng )新,CMEMS可編程振蕩器撼動(dòng)石英晶體振蕩器百年“霸業(yè)”

發(fā)布時(shí)間:2015-1-12 13:57    發(fā)布者:eechina
關(guān)鍵詞: CMEMS , 時(shí)鐘 , 可編程振蕩器
       臺灣一個(gè)科學(xué)家做了一個(gè)實(shí)驗:他請了50名志愿者看房間內所有藍色的物體30秒。然后請他們閉上眼睛,問(wèn)他們看到了多少個(gè)紅色、綠色和黃色的物體?這下他們都傻眼了,因為他們只專(zhuān)注藍色的物體,沒(méi)有注意到其它顏色的物體。
       其實(shí),類(lèi)似的情景在每個(gè)人身上幾乎都會(huì )發(fā)生,我們總是習慣性地選擇性忽視一些事物。發(fā)生在電子工程師身上的最新例證就是,CMEMS可編程振蕩器憑借完全集成的、高可靠性的CMEMS(CMOS+MEMS)技術(shù),實(shí)現了更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度和更短交付周期的單晶片(single-die)振蕩器解決方案。然而,在由石英晶體(XO)解決方案壟斷上百年的頻率控制和定時(shí)產(chǎn)品市場(chǎng)中,工程師的慣性思維使得他們很難將目光從石英晶體振蕩器(XO)移向他的小伙伴CMEMS可編程振蕩器。
       “現在,通過(guò)我們的不斷努力,越來(lái)越多的工程師和廠(chǎng)商接受了CMEMS這種時(shí)鐘產(chǎn)品,我們今年CMEMS產(chǎn)品的交貨量預計會(huì )有非常顯著(zhù)的增長(cháng)!盨ilicon Labs(芯科實(shí)驗室有限公司)在中國的核心代理商世強產(chǎn)品經(jīng)理Steven Zhang 表示,“我們期待更多工程師能了解CMEMS可編程振蕩器的獨特優(yōu)勢,在更多的應用領(lǐng)域能撼動(dòng)石英晶體振蕩器百年‘霸業(yè)’!
頻率控制技術(shù)的演進(jìn)
       每年30億美元的頻率控制市場(chǎng)已經(jīng)由石英晶體和基于石英的振蕩器占據了幾十年,幾乎所有類(lèi)型的電子設備都依賴(lài)一小片由機器加工的石英巖的作用去生成至少一種可能的操作頻率。然而,基于石英的頻率控制設計仍有很多限制。例如,他需要更專(zhuān)業(yè)化和復雜生產(chǎn)流程,長(cháng)的、易變動(dòng)的交付時(shí)間(幾周到幾個(gè)月)等。
       為了克服石英晶體的這些缺點(diǎn),在過(guò)去的五年里,微機電系統(MEMS)解決方案開(kāi)始發(fā)展。MEMS技術(shù)最初源于對更小外形尺寸的追求,目前已呈現出其他顯著(zhù)的優(yōu)勢,包括交付時(shí)間、供應穩定性、產(chǎn)品可靠性、器件尺寸和性?xún)r(jià)比等,這些優(yōu)勢使基于MEMS的振蕩器占有部分基于石英的頻率控制市場(chǎng)。如下圖1所示為頻率控制技術(shù)的演進(jìn)。


圖1. 頻率控制技術(shù)的演進(jìn)

       盡管MEMS諧振器技術(shù)已經(jīng)解決了石英晶體的基本缺陷,但剛剛進(jìn)入競爭激烈的頻率控制市場(chǎng),它也存在一些缺點(diǎn)。首先,MEMS器件小于石英晶體,所以無(wú)法提供更多能量到振蕩周期。這意味著(zhù),在相同的頻率下轉換效率低,從而造成信噪比較差。第二,傳統的MEMS材料,例如單晶硅、多晶硅,甚至聚硅鍺,隨溫度變化的漂移顯著(zhù),這會(huì )帶來(lái)信號完整性和熱滯問(wèn)題。
       2010年,Silicon Labs通過(guò)收購一家名為Silicon Clocks的公司,獲得了在大批量生產(chǎn)中把MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上,實(shí)現完全集成的、高可靠性的CMEMS技術(shù)!霸跇藴蔆MOS芯片上集成高精度振蕩器的夢(mèng)想,已經(jīng)由Silicon Labs公司和他們最新推出的Si50x CMEMS振蕩器系列變?yōu)楝F實(shí)!盨teven Zhang 表示。
       CMEMS技術(shù)是頻率控制市場(chǎng)的重要技術(shù)進(jìn)步。通過(guò)結合MEMS和CMOS兩者的最好特性,CMEMS可編程振蕩器能夠為成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費類(lèi)電子應用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。

CMEMS相比XO的優(yōu)勢
相比傳統的石英晶體振蕩器(XO),Si50x CMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優(yōu)點(diǎn):
1、針對成本、空間和功耗敏感型應用的通用振蕩器;
2、定制樣片交付時(shí)間少于2周;
3、直接替換晶體振蕩器 (XO) ;
4、在客戶(hù)現場(chǎng)使用現場(chǎng)編程器立即定制樣片;
5、高穩定性和可預見(jiàn)性供應鏈;
6、在全溫度范圍、撞擊、震動(dòng)等環(huán)境下,具有10年的高穩定頻率輸出;
7、性能與XO相比,在震動(dòng)、撞擊、溫度和老化環(huán)境下更可靠。
     
      傳統的石英供應鏈復雜、高成本,且低效率。他們高定制化的制造流程(幾周到幾個(gè)月的交付時(shí)間)不僅增加供應鏈的管理難度,同時(shí)還限制參考振蕩器產(chǎn)生的頻率范圍。隨著(zhù)計算、通信和網(wǎng)絡(luò )裝置的數據速率的增長(cháng),這種限制對提供高質(zhì)量高頻時(shí)鐘信號時(shí)鐘的合成將產(chǎn)生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡(jiǎn)化了供應鏈。大大縮短交付時(shí)間(小于2周)和從kHz到GHz輸出頻率的無(wú)限可編程性。

圖2. CMEMS定制樣片交付時(shí)間少于2周

    “更好的諧振器等于更好的穩定性,CMEMS技術(shù)確保數據手冊中的性能具有10年的頻率穩定性,包括焊接偏移、負載牽引、VDD變化、運行溫度范圍、振動(dòng)和沖擊,并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍! Steven Zhang說(shuō)。
     Si50x在全溫度范圍內具有高穩定的頻率參考,傳統的MEMS諧振器具有-30-40ppm/°C的頻率漂移,而CMEMS頻率漂移


圖3. Si50x抗驟冷驟熱變化能力

     此外,Si50x還是高穩定和可靠的振蕩器,與同類(lèi)晶體相比,原子質(zhì)量小于61000倍,這使它不易受撞擊、震動(dòng)、加速度和老化影響。
Si50x強勢替代傳統XO
    結合Silicon Labs混合信號的專(zhuān)業(yè)知識,CMEMS技術(shù)可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出,并且輸出頻率與大批量生產(chǎn)的晶體振蕩器一樣穩定,解決了熱滯或信號完整性問(wèn)題,具有高度耐沖擊和振動(dòng)能力,并具有10年以上的±20ppm頻率穩定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會(huì )成為晶體振蕩器的替代解決方案。
    Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品包括針對工業(yè)、嵌入式和消費電子市場(chǎng)的四種可編程芯片,如下圖4所示。每種芯片都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或現場(chǎng)定制。


圖4. Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品概述

     “Si501/2/3/4是通用XO替代產(chǎn)品,適用于應用需要:低功耗 (1–8mA)、低頻率,LVCMOS時(shí)鐘 (


圖5. Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性?xún)r(jià)對比表

    “Si50x振蕩器可提供網(wǎng)絡(luò )定制的2周樣品交付周期,世強的FAE還可以在客戶(hù)現場(chǎng)即刻編程,使用現場(chǎng)編程器進(jìn)行0延時(shí)樣片交付。這種靈活的可編程性,使得Si50x 系列產(chǎn)品可以快速滿(mǎn)足客戶(hù)的特殊需求。此外,Si50x振蕩器與現有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容,可實(shí)現快速便捷的替換解決方案! Steven Zhang表示。


圖6. 使用現場(chǎng)編程器進(jìn)行0延時(shí)樣片交付

應用設計實(shí)例
       Si50x應用目標鎖定于工業(yè)安防,變頻伺服等需要超長(cháng)壽命需求,以及數碼相機、存儲和內存、ATM機、POS機和多功能打印機等需要小封裝晶振的領(lǐng)域。能夠可靠和有效的用于典型的目標應用,包括:
·    SoC視頻應用處理器 (Roku)
·    10/100快速以太網(wǎng) (SoC & NIC/LOM 實(shí)現)
·    USB 2.0 (480Mbps)
·    USB 3.0 (5Gbps)
·    DDR3
·    工業(yè)安防
·    通訊
·    作為眾多MCU的參考時(shí)鐘取代傳統晶振
       如下圖7所示,在10/100快速以太網(wǎng)應用中,分別在低抖動(dòng)和低功耗模式下測量Si501 EVB的抖動(dòng)。測試結果顯示,Si501在低抖動(dòng)模式下幾乎與R&S高端信號發(fā)生器的隨機抖動(dòng)性能相同,Si501在低功耗模式下抖動(dòng)性能稍有下降,但仍具有可接受的系統抖動(dòng)裕量。所以,Si50x適合作為10/100快速以太網(wǎng)參考時(shí)鐘。


圖7. 10/100快速以太網(wǎng)——分別在低抖動(dòng)和低功耗模式下測量Si501 EVB的抖動(dòng)

       如下圖8所示,在USB 2.0的應用中,對比石英晶體振蕩器,Si501低抖動(dòng)模式和低功耗模式的眼圖抖動(dòng)性測試,所有配置均通過(guò)USB 2.0兼容性測試,Si501性能等于或超過(guò)典型的解決方案,所以Si501適用于作為USB2.0的參考時(shí)鐘。


圖8. USB 2.0兼容性測試
       Steven Zhang 最后特別指出:“Si50x的產(chǎn)品定位就是取代傳統的XO,所以他的價(jià)錢(qián)也和XO相當,客戶(hù)不用擔心用不起。所以,工程師們請不要再囿于自己慣性思維的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意,CMEMS 振蕩器已經(jīng)來(lái)了!


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