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對于消費類(lèi)、汽車(chē)、工業(yè)、醫療、通信、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和企業(yè)等應用，系統設計人員必須考慮眾多的時(shí)鐘定時(shí)要求和性能特點(diǎn)，特別是在需要傳統標準支持的情況下。其中包括精度、準確度、穩定性、系統噪聲、電磁干擾 (EMI)、功耗、輸出類(lèi)型（差分或單端）以及各種擴頻配置文件。設計人員面臨的挑戰是在外形尺寸小、功耗低的情況下滿(mǎn)足各種要求。 同時(shí)，他們還必須將成本和交付期保持在最低水平，而這對定制配置來(lái)說(shuō)又極為不易，因為設計人員仍需按批量訂購，并且可能會(huì )有三到五周、甚至更長(cháng)的提前期。這些延遲會(huì )減緩原型設計和開(kāi)發(fā)，以及最終產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度。 為了滿(mǎn)足對更靈活的高性能定時(shí)解決方案的需求，設計人員可以使用可編程微機電系統 (MEMS) 振蕩器代替傳統晶體振蕩器。這些系統可滿(mǎn)足或超越質(zhì)量和性能要求，但采用標準結構，可按定制要求進(jìn)行調整。 本文簡(jiǎn)要介紹可編程 MEMS 振蕩器及其主要元件。隨后，本文以 SiTime 器件為例，展示了如何選擇和使用這些器件來(lái)滿(mǎn)足各種應用的定時(shí)要求，同時(shí)減少提前期和降低整體成本。 為什么使用可編程 MEMS 振蕩器？ 在 2000 年代 MEMS 振蕩器出現之前，石英晶體諧振器在電路定時(shí)中占據主要地位。然而，由于快速創(chuàng )新以及硅工藝的運用所推動(dòng)，MEMS 振蕩器成為強調質(zhì)量、可靠性和穩健性的首選設計解決方案。雖然在許多應用中石英振蕩器仍然是一個(gè)很好的低成本選擇，但與高度集成的可編程 MEMS 器件相比，其設計更加復雜。例如，使用石英振蕩器的設計人員需要選擇正確的諧振器和負載電容器，以避免冷啟動(dòng)失效和晶體不匹配等問(wèn)題，同時(shí)還要盡力最小化 EMI。 可編程 MEMS 器件的即插即用性可避免或極大減少這些復雜情況。另外，其制造工藝簡(jiǎn)單、標準，尺寸小巧，具有內在性能、可靠性和彈性特征。例如，使用大容量硅基 MEMS 制造工藝可最大限度地減少污染，從而降低每百萬(wàn)零件不合格數 (DPPM)。這樣一來(lái)，即可降低成本，但對設計人員來(lái)說(shuō)同樣重要的是，該工藝可提高質(zhì)量和可靠性，提升平均無(wú)故障時(shí)間 (MTBF)。這可應用于 -55˚C 至 +125˚C 的極端環(huán)境溫度。 在尺寸方面，MEMS 振蕩器的質(zhì)量很輕 — 標準 32 千赫茲 (kHz) MEMS 振蕩器采用芯片級封裝 (CSP) 交付，排針的大小意味著(zhù)在沖擊和振動(dòng)時(shí)非常堅固。另外，可編程 MEMS 振蕩器在諧振器和振蕩器電路之間沒(méi)有任何裸露的 PC 板連接，而且由于振蕩器電路針對電噪聲條件進(jìn)行了優(yōu)化，因此它們對 EMI 的敏感度要低得多。其結構和設計對電路板噪聲也不太敏感。 可編程 MEMS 振蕩器的元件 可編程 MEMS 器件含 MEMS 諧振器，并封裝有 CMOS IC。CMOS IC 包含模擬振蕩器控制和驅動(dòng)電路，可產(chǎn)生所需的時(shí)鐘 (CLK) 輸出（圖 1）。該電路通常包括小數 N 分頻鎖相環(huán) (PLL) 和相關(guān)分頻器、驅動(dòng)器、穩壓器和溫度補償，以及通過(guò)靜電激勵驅動(dòng) MEMS 諧振器的電路。圖 1 所示的一次性可編程 (OTP) 存儲器可用于存儲可編程參數。 
圖 1：MEMS 振蕩器的可編程性是由于封裝 MEMS 諧振器的 CMOS IC 中使用可配置模擬振蕩器電路，如左側所示（三種不同的類(lèi)型，可根據應用進(jìn)行選擇）。（圖片來(lái)源：SiTime） 石英晶體振蕩器根據所需 CLK 選擇或制造不同的零件，而可編程 MEMS 振蕩器是成批制造空白器件，可在現場(chǎng)按所需輸出頻率編程。除頻率外，其他可編程參數包括供電電壓、頻率穩定性和上升/下降時(shí)間等（圖 2）。
圖 2：各種可編程 MEMS 定時(shí)選項為設計人員提供了靈活性，可高效且經(jīng)濟地滿(mǎn)足多代系統在各種應用中的需求。（圖片來(lái)源：SiTime） 這種參數微調功能允許設計人員對輸出頻率進(jìn)行編程，以準確匹配下游 IC，例如微控制器、微處理器或片上系統 (SoC)。由于這種靈活性，不再需要使用外部緩沖器、分頻器或頻率轉換 PLL，可大大降低復雜性和開(kāi)發(fā)時(shí)間。 雖然可編程 MEMS 振蕩器可大大減輕設計人員的負擔，但這種負擔并沒(méi)有消失。相反，它向上轉移至器件提供商，設計人員要依靠其獲取 MEMS、可編程模擬和系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)，以確保實(shí)現可靠、穩定、可輕松編程的解決方案。 可編程 MEMS 解決方案 盡管靈活，但并不存在可涵蓋所有頻率的各種可能應用的“一體適用型”選項。不過(guò)，可編程 MEMS 振蕩器工藝和技術(shù)的掌握水平仍日臻成熟。例如，SiTime Elite Platform 的 SiT3521（圖 3）和 SiT3522 振蕩器能夠使用其 I2C/SPI 接口進(jìn)行系統內編程 (ISP)，分別能從 1 MHz 編程至 340 MHz，從 340 MHz 編程至 725 MHz（增量為 1 Hz）。
圖 3：SiT3521（如圖）有一個(gè)數字 I2C/SPI 接口（右下），可從 1 MHz 編程至 340 MHz。其姊妹產(chǎn)品 SiT3522 可從 340 MHz 編程至 725 MHz。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 作為數字控制振蕩器 (DCO)，這些器件不需要數模轉換器 (DAC) 來(lái)驅動(dòng)控制輸入，而且它們不受模擬噪聲耦合的影響。 另外，由于頻率牽引是通過(guò) PLL 分數反饋分壓器實(shí)現，所以不會(huì )出現牽引非線(xiàn)性。使用分數反饋分壓器也意味著(zhù)可拉性不受限制，因為它可能是電壓控制的石英晶體振蕩器。這樣一來(lái)，該器件有 16 種頻率牽引范圍選擇，從 6.25 ppm 至 3200 ppm。這兩種器件都有約 0.2 皮秒 (ps) 的超低相位抖動(dòng)，指定可編程牽引范圍為 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。它們的頻率牽引分辨率低至 5 ppt，并支持三種信號類(lèi)型：LVPECL、LVDS 和 HCSL。 這些器件可靈活適用于網(wǎng)絡(luò )、服務(wù)器存儲、廣播、電信以及測試和測量等應用。在此，由于要向后兼容傳統標準，如數字視頻傳輸或以太網(wǎng)，因此需要能適應多種頻率以及各種抖動(dòng)和相位噪聲要求。 使用 SiT3521 和 SiT3522 可編程 MEMS 振蕩器 SiT3521 和 SiT3522 有兩種工作模式：“任意頻率”和 DCO。在任意頻率模式下，設計人員可將設備重新編程為其支持的任何頻率。要實(shí)現此功能，需要首先計算后分頻器、反饋和 mDriver 值，然后將其寫(xiě)入器件（圖 4）。
圖 4：參考 I2C/SPI 振蕩器高級方框圖，SiT3521 和 SiT3522 的編程都是從計算后分頻器、反饋分壓器和 mDriver 值開(kāi)始，且以這些計算的一個(gè)用戶(hù)輸入值作為目標輸出頻率。（圖片來(lái)源：SiTime） 這些計算要求設計人員輸入的唯一值是所需的輸出頻率。其他輸入值為分頻器的允許范圍。請注意，在對新值編程時(shí)，輸出會(huì )暫時(shí)禁用，因此設計人員需要考慮到這一點(diǎn)。 對于數字控制，這個(gè)過(guò)程更容易。根據器件的訂購代碼，器件上電到其標稱(chēng)工作頻率和牽引范圍。從這一點(diǎn)來(lái)看，牽引范圍和輸出頻率都可以通過(guò)寫(xiě)入其各自的控制寄存器來(lái)設置（左上，圖 4）。然而，還是需要考慮一些細微差別。例如，最大的輸出頻率變化受到牽引范圍限制的約束。牽引范圍指定為峰峰值偏差的一半，因此 200 ppm 峰峰值偏差被指定為 ±100 ppm 的牽引范圍。 從 16 個(gè)選項（±6.25 ppm 至 ±3200 ppm，如前所述）列表中選擇所需牽引范圍后，牽引范圍會(huì )被加載到相應的控制寄存器（Reg2[3:0]，圖 4）。如表 1 所示，牽引范圍會(huì )影響頻率精度。
表 1：設計人員可以從 16 個(gè)可能的 SiT3521 和 SiT3522 牽引范圍中進(jìn)行選擇，并將其加載到控制寄存器中。牽引范圍的選擇會(huì )影響頻率精度。（圖片來(lái)源：SiTime） 要改變輸出頻率，設計人員可寫(xiě)入兩個(gè)控制字：首先寫(xiě)入最不重要的字 (LSW) 到 Reg0[15:0]，然后寫(xiě)入最重要的字 (MSW) 到 Reg0[15:0]。寫(xiě)入 MSW 后，器件會(huì )更改其反饋分壓器的值，以適應新的頻率。此操作在 Tdelay 時(shí)間框架內完成（圖 5）。
圖 5：在 DCO 模式下，輸出頻率在寫(xiě)入 MSW 后開(kāi)始變化，在器件更改其反饋值（Tdelay 期間）并穩定 (Tsettle) 到新值 (F1) 的 1% 后結束。（圖片來(lái)源：SiTime） 分頻器值設定后，輸出會(huì )穩定在最終頻率值的 1% 以?xún)�。不同于“任何頻率”模式，頻率變化時(shí)輸出不會(huì )被禁用。不過(guò)，如果啟用了軟件輸出允許 (OE) 控制功能，設計人員可以選擇手動(dòng)禁用頻率變化時(shí)的輸出。 要適應這些器件并確保其滿(mǎn)足應用要求，設計人員可以使用 SiT6712EB 評估板進(jìn)行實(shí)驗。該板支持帶差分信號輸出的 10 引腳 QFN 封裝 SiT3521 和 SiT3522，并允許全方位評估這些器件，包括信號完整性、相位噪聲、相位抖動(dòng)和重新編程的簡(jiǎn)易性。該板還支持 LVPECL、LVDS 和 HCSL 輸出信號類(lèi)型，包括用于輸出頻率測量的探測點(diǎn)。 這里需要指出的是，這些是具有亞納秒級上升/下降時(shí)間的差分振蕩器。為了確保準確測量，必須采用測量最佳實(shí)踐，同時(shí)使用優(yōu)質(zhì)有源探針（圖 6）。
圖 6：使用 SiT6712EB 評估板時(shí)，務(wù)必采用高速測量最佳實(shí)踐，包括使用優(yōu)質(zhì)有源探針和合適的高速差分探頭。（圖片來(lái)源：SiTime） 為達到最佳效果，應使用帶寬 4 千兆赫 (GHz) 以上、負載電容 1 皮法拉 (pF) 以下的有源探針，并使用相匹配的高速差分探頭。配套的示波器應具有 4 GHz 或更高帶寬，以及 50 歐姆 (Ω) 輸入。 面向應用的現成即用可編程振蕩器 當然，目前有諸多系列的可編程 MEMS 振蕩器，有些適用于網(wǎng)絡(luò )、廣播和通信，其他則可能適用于汽車(chē)領(lǐng)域，如 AEC-Q100 認證，或注重較高工作溫度范圍等特點(diǎn)的工業(yè)領(lǐng)域。例如，SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作溫度為 -40˚C 至 +85˚C；33.333330 表示其標稱(chēng)頻率單位為兆赫。 當然，也有適合特定應用的封裝和電壓選項。例如，SiT1532 是低電壓 CMOS (LVCMOS) 1.2 V 振蕩器，采用 UFBGA 封裝，尺寸為 1.54 mm x 0.84 mm，高度為 0.60 mm（圖 7）。針對手機和物聯(lián)網(wǎng)應用，其標稱(chēng)頻率為 32.768 kHz。
圖 7：SiT1532 是一款采用 UFBGA 封裝的 LVCMOS 可編程 MEMS 振蕩器，可用于物聯(lián)網(wǎng)和手機應用。（圖片來(lái)源：SiTime） 在汽車(chē)領(lǐng)域，SiT8924AE 24 MHz 振蕩器具有非常高的工作溫度范圍（-55˚C 至 ~125˚C），采用小型無(wú)引線(xiàn)表面貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.50 mm x 2.00 mm，高度為 0.80 mm。 這些可編程 MEMS 器件系列繁多，標稱(chēng)頻率都是現成即用，但都有相同的原始形式：空白器件。它們基本上是“現場(chǎng)可編程”的振蕩器，最初為空白器件，然后在工廠(chǎng)對常用頻率進(jìn)行預編程，接著(zhù)再由 Digi-Key 供貨。 定制振蕩器的快速發(fā)貨 若擁有多種多樣的振蕩器，則有助于將常用定時(shí)電路迅速推向市場(chǎng)，但并非每個(gè)設計人員都愿意進(jìn)行振蕩器編程，盡管它相當簡(jiǎn)單，但在特定情況下仍需定制配置。在過(guò)去，后者意味著(zhù)定制配置從工廠(chǎng)發(fā)貨需要三到五周的提前期。Digi-Key 在自己的倉庫中安裝有專(zhuān)門(mén)用于 SiTime 零件的自動(dòng)編程機，因此可解決這一問(wèn)題（圖 8）。
圖 8：圖示為 Digi-Key 自動(dòng)編程機，專(zhuān)門(mén)用于 SiTime 振蕩器，其編程插座中放置有空白振蕩器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 該機器目前有八個(gè)插座，每小時(shí)可編程 1500 個(gè)單元，將定制配置的提前期縮短到 24 至 48 小時(shí)，并且無(wú)最低訂購數量限制。 要利用此功能，設計人員可從 Digi-Key 技術(shù)論壇上的 SiTime 可編程振蕩器部分開(kāi)始。提交申請后，將立即向 Digi-Key 的工程設計技術(shù)人員發(fā)送電子郵件。他們將驗證新零件編號，并將其添加到 Digi-Key 網(wǎng)站上。雖然網(wǎng)站會(huì )指導設計人員完成訂購過(guò)程，但熟悉 SiTime 振蕩器配置的命名法可能會(huì )有所幫助（圖 9）。
圖 9：圖示為 SiTime 可編程 MEMS 振蕩器的常用配置命名法，此處以 SiT2001 基本型號為例。（圖片來(lái)源：SiTime） 總結 各種應用的系統設計人員需要靈活的電路定時(shí)解決方案，以滿(mǎn)足當前以及傳統和未來(lái)的系統規格和要求。設計人員選擇可滿(mǎn)足諸多要求的可編程 MEMS 器件，可免除多個(gè)晶體或 MEMS 振蕩器以及相關(guān)電路和設計的復雜性，從而節省空間、時(shí)間和成本。 如需定制設計，從工廠(chǎng)發(fā)貨產(chǎn)品，設計人員不必等待三到五周。利用專(zhuān)用于 SiTime 器件的編程機，Digi-Key 可在 24 至 48 小時(shí)內開(kāi)始發(fā)貨定制配置。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Patrick Mannion |
