DQZHAN技術訊：CMEMS可編程振蕩器替代石英晶體振蕩器
小器件大** CMEMS可編程振蕩器撼動石英晶體振蕩器百年“霸業”
臺灣一個科學家做了一個實驗：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，問他們看到了多少個紅色、綠色和黃色的物體？這下他們都傻眼了，因為他們只專注藍色的物體，沒有注意到其它顏色的物體。
其實，類似的情景在每個人身上幾乎都會發生，我們總是習慣性地選擇性忽視一些事物。發生在電子工程師身上的*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，實現了更小尺寸、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產品市場中，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，通過我們的不斷努力，越來越多的工程師和廠商接受了CMEMS這種時鐘產品，我們今年CMEMS產品的交貨量預計會有非常顯著的增長。”SiliconLabs（芯科實驗室有限公司）在中國的核心代理商世強產品經理StevenZhang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勢，在更多的應用領域能撼動石英晶體振蕩器百年‘霸業’。”
頻率控制技術的演進
每年30億美元的頻率控制市場已經由石英晶體和基于石英的振蕩器占據了幾十年，幾乎所有類型的電子設備都依賴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，他需要更專業化和復雜生產流程，長的、易變動的交付時間(幾周到幾個月)等。
為了克服石英晶體的這些缺點，在過去的五年里，微機電系統(MEMS)解決方案開始發展。MEMS技術*初源于對更小外形尺寸的追求，目前已呈現出其他顯著的優勢，包括交付時間、供應穩定性、產品可靠性、器件尺寸和性價比等，這些優勢使基于MEMS的振蕩器占有部分基于石英的頻率控制市場。如下圖1所示為頻率控制技術的演進。
盡管MEMS諧振器技術已經解決了石英晶體的基本缺陷，但剛剛進入競爭激烈的頻率控制市場，它也存在一些缺點。首先，MEMS器件小于石英晶體，所以無法提供更多能量到振蕩周期。這意味著，在相同的頻率下轉換效率低，從而造成信噪比較差。**，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，這會帶來信號完整性和熱滯問題。
2010年，SiliconLabs通過收購一家名為SiliconClocks的公司，獲得了在大批量生產中把MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上，實現完全集成的、高可靠性的CMEMS技術。“在標準CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢想，已經由SiliconLabs公司和他們*新推出的Si50xCMEMS振蕩器系列變為現實。”StevenZhang表示。
CMEMS技術是頻率控制市場的重要技術進步。通過結合MEMS和CMOS兩者的*好特性，CMEMS可編程振蕩器能夠為成本和功耗受限的嵌入式、工業和消費類電子應用提供*佳的通用型振蕩器解決方案。
CMEMS相比XO的優勢
相比傳統的石英晶體振蕩器(XO)，Si50xCMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優點：
1、針對成本、空間和功耗敏感型應用的通用振蕩器；
2、定制樣片交付時間少于2周；
3、直接替換晶體振蕩器(XO)；
4、在客戶現場使用現場編程器立即定制樣片；
5、高穩定性和可預見性供應鏈；
6、在全溫度范圍、撞擊、震動等環境下，具有10年的高穩定頻率輸出；
7、性能與XO相比，在震動、撞擊、溫度和老化環境下更可靠。
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（幾周到幾個月的交付時間）不僅增加供應鏈的管理難度，同時還限制參考振蕩器產生的頻率范圍。隨著計算、通信和網絡裝置的數據速率的增長，這種限制對提供高質量高頻時鐘信號時鐘的合成將產生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡化了供應鏈。大大縮短交付時間（小于2周）和從kHz到GHz輸出頻率的無限可編程性。
“更好的諧振器等于更好的穩定性，CMEMS技術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。”StevenZhang說。
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<±1ppm/°C。與其它解決方案相比，溫度穩定性高5-10倍。如下圖3所示，使用經典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環境中，Si50x都表現出出色的頻率穩定性。全溫度范圍內具有更可靠的一致性工作性能，增強了目標應用的長期穩定性。

此外，Si50x還是高穩定和可靠的振蕩器，與同類晶體相比，原子質量小于61000倍，這使它不易受撞擊、震動、加速度和老化影響。
Si50x強勢替代傳統XO
結合SiliconLabs混合信號的專業知識，CMEMS技術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的晶體振蕩器一樣穩定，解決了熱滯或信號完整性問題，具有高度耐沖擊和振動能力，并具有10年以上的±20ppm頻率穩定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會成為晶體振蕩器的替代解決方案。
Si50xCMEMS振蕩器系列產品包括針對工業、嵌入式和消費電子市場的四種可編程芯片，如下圖4所示。每種芯片都可通過網絡或現場定制。
“Si501/2/3/4是通用XO替代產品，適用于應用需要：低功耗(1–8mA)、低頻率，LVCMOS時鐘(<100MHz)、小尺寸(2.0x2.5mm)、低成本(~$0.5010KEAU)、高可靠性(高振動，高溫度)、好的消費/嵌入式抖動性能(1.1psRMS周期抖動)的系統中。”StevenZhang表示。
此外，針對消費類、嵌入式和工業中的通用定時需求，Si50x不僅是SoCs,CPLDs,mPs,FPGA數字邏輯的理想時鐘源，也是消費/嵌入式應用于中數據通路的理想時鐘源，例如，SAS,SATA,DDR3和PCIe。
“目前世強不推薦將Si50x用于通信應用，因為通信應用通常需要低相位抖動(<1psRMS12kHz-20MHz)，SiliconLabs晶體振蕩器(Si51x,Si53x,Si59x)更適用于這種應用。”“但是我們今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖動，更高頻率輸出的延續產品可以滿足眾多通訊時鐘需求。”StevenZhang強調。
如下圖5所示，Si50xCMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7xXO的性價對比表。Si50x系列產品完善了SiliconLabs的振蕩器產品系列。Si501/2/3/4系列產品針對工業、嵌入式和消費類市場中低成本、低功耗、通用目的振蕩器。而SiliconLabs的Si51x/9x/3x針對具有高性能、低相位抖動需求的通信和數據傳輸應用。

“Si50x振蕩器可提供網絡定制的2周樣品交付周期，世強的FAE還可以在客戶現場即刻編程，使用現場編程器進行0延時樣片交付。這種靈活的可編程性，使得Si50x系列產品可以快速滿足客戶的特殊需求。此外，Si50x振蕩器與現有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實現快速便捷的替換解決方案。”StevenZhang表示。
應用設計實例
Si50x應用目標鎖定于工業安防，變頻伺服等需要超長壽命需求，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(SoC&NIC/LOM實現)
?USB2.0(480Mbps)
?USB3.0(5Gbps)
?DDR3
?工業安防
?通訊
?作為眾多MCU的參考時鐘取代傳統晶振
如下圖7所示，在10/100快速以太網應用中，分別在低抖動和低功耗模式下測量Si501EVB的抖動。測試結果顯示，Si501在低抖動模式下幾乎與R&S**信號發生器的隨機抖動性能相同，Si501在低功耗模式下抖動性能稍有下降，但仍具有可接受的系統抖動裕量。所以，Si50x適合作為10/100快速以太網參考時鐘。

如下圖8所示，在USB2.0的應用中，對比石英晶體振蕩器，Si501低抖動模式和低功耗模式的眼圖抖動性測試，所有配置均通過USB2.0兼容性測試，Si501性能等于或超過典型的解決方案，所以Si501適用于作為USB2.0的參考時鐘。
StevenZhang*后特別指出：“Si50x的產品定位就是取代傳統的XO，所以他的價錢也和XO相當，客戶不用擔心用不起。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振蕩器已經來了。”
關于世強
世強成立于1993年，總部深圳，是包括安華高、瑞薩電子、英飛凌、acam、Rogers、SiliconLabs、Micrel、Littelfuse、NEMICON、EMC&RFLabs、EPSON、Flir、安捷倫等在內的全球知名半導體企業及測試測量儀器公司在大中國區的重要分銷商，同時也是眾多電子制造和研發企業的重要供應商，產品業務廣泛覆蓋通信設備、工業電子、智能四表、汽車電子、消費電子、智能手機等領域。
作為技術驅動型分銷企業，世強還擁有成熟的技術支持團隊和系統的服務流程，根據需求向客戶提供新產品推介、快速樣品、應用咨詢、方案及軟件設計、開發環境、售后及物流等方面的專業服務。
2012年，世強年銷售額1.9億美金，在國內設有17個分公司和辦事處，擁有員工400余人。

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