CMEMS撼动石英晶体振荡器百年“霸业”

    台湾一个科学家做了一个实验：他请了50名志愿者看房间内所有蓝色的物体30秒。然后请他们闭上眼睛，问他们看到了多少个红色、绿色和黄色的物体？这下他们都傻眼了，因为他们只专注蓝色的物体，没有注意到其它颜色的物体。

    其实，类似的情景在每个人身上几乎都会发生，我们总是习惯性地选择性忽视一些事物。发生在电子工程师身上的例证就是，CMEMS可编程振荡器凭借完全集成的、高可靠性的CMEMS（CMOS+MEMS）技术，实现了更小尺寸、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单晶片(single-die)振荡器解决方案。然而，在由石英晶体(XO)解决方案垄断上百年的频率控制和定时产品市场中，工程师的惯性思维使得他们很难将目光从石英晶体振荡器(XO)移向他的小伙伴CMEMS可编程振荡器。

    “现在，通过我们的不断努力，越来越多的工程师和厂商接受了CMEMS这种时钟产品，我们今年CMEMS产品的交货量预计会有非常显著的增长。”Silicon Labs（芯科实验室有限公司）在中国的核心代理商世强产品经理Steven Zhang 表示，“我们期待更多工程师能了解CMEMS可编程振荡器的独特优势，在更多的应用领域能撼动石英晶体振荡器百年‘霸业’。”

频率控制技术的演进

    每年30亿美元的频率控制市场已经由石英晶体和基于石英的振荡器占据了几十年，几乎所有类型的电子设备都依赖一小片由机器加工的石英岩的作用去生成至少一种可能的操作频率。然而，基于石英的频率控制设计仍有很多限制。例如，他需要更专业化和复杂生产流程，长的、易变动的交付时间(几周到几个月)等。

    为了克服石英晶体的这些缺点，在过去的五年里，微机电系统(MEMS)解决方案开始发展。MEMS技术初源于对更小外形尺寸的追求，目前已呈现出其他显著的优势，包括交付时间、供应稳定性、产品可靠性、器件尺寸和性价比等，这些优势使基于MEMS的振荡器占有部分基于石英的频率控制市场。如下图1所示为频率控制技术的演进。

图1. 频率控制技术的演进

    尽管MEMS谐振器技术已经解决了石英晶体的基本缺陷，但刚刚进入竞争激烈的频率控制市场，它也存在一些缺点。首先，MEMS器件小于石英晶体，所以无法提供更多能量到振荡周期。这意味着，在相同的频率下转换效率低，从而造成信噪比较差。第二，传统的MEMS材料，例如单晶硅、多晶硅，甚至聚硅锗，随温度变化的漂移显著，这会带来信号完整性和热滞问题。

    2010年，Silicon Labs通过收购一家名为Silicon Clocks的公司，获得了在大批量生产中把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，实现完全集成的、高可靠性的CMEMS技术。“在标准CMOS芯片上集成高精度振荡器的梦想，已经由Silicon Labs公司和他们推出的Si50x CMEMS振荡器系列变为现实。”Steven Zhang 表示。

    CMEMS技术是频率控制市场的重要技术进步。通过结合MEMS和CMOS两者的好特性，CMEMS可编程振荡器能够为成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用提供的通用型振荡器解决方案。

CMEMS相比XO的优势

    相比传统的石英晶体振荡器(XO)，Si50x CMEMS可编程振荡器主要有下面这些优点：
1、针对成本、空间和功耗敏感型应用的通用振荡器；
2、定制样片交付时间少于2周；
3、直接替换晶体振荡器 (XO) ；
4、在客户现场使用现场编程器立即定制样片；
5、高稳定性和可预见性供应链；
6、在全温度范围、撞击、震动等环境下，具有10年的高稳定频率输出；
7、性能与XO相比，在震动、撞击、温度和老化环境下更可靠。

    传统的石英供应链复杂、高成本，且低效率。他们高定制化的制造流程（几周到几个月的交付时间）不仅增加供应链的管理难度，同时还限制参考振荡器产生的频率范围。随着计算、通信和网络装置的数据速率的增长，这种限制对提供高质量高频时钟信号时钟的合成将产生更多压力。CMEMS工艺流程极大简化了供应链。大大缩短交付时间（小于2周）和从kHz到GHz输出频率的无限可编程性。

图2. CMEMS定制样片交付时间少于2周

    “更好的谐振器等于更好的稳定性，CMEMS技术确保数据手册中的性能具有10年的频率稳定性，包括焊接偏移、负载牵引、VDD变化、运行温度范围、振动和冲击，并保证操作寿命性能是其他公司XO和MEMS振荡器的10倍。” Steven Zhang说。

    Si50x在全温度范围内具有高稳定的频率参考，传统的MEMS谐振器具有-30-40ppm/°C的频率漂移，而CMEMS频率漂移 < ±1ppm/°C。与其它解决方案相比，温度稳定性高5-10倍。如下图3所示，使用经典的“魔鬼测试”，包括暴露在骤冷和骤热环境中，Si50x都表现出出色的频率稳定性。全温度范围内具有更可靠的一致性工作性能，增强了目标应用的长期稳定性。

图3. Si50x抗骤冷骤热变化能力

    此外，Si50x还是高稳定和可靠的振荡器，与同类晶体相比，原子质量小于61000倍，这使它不易受撞击、震动、加速度和老化影响。

Si50x强势替代传统XO

    结合Silicon Labs混合信号的专业知识，CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定，解决了热滞或信号完整性问题，具有高度耐冲击和振动能力，并具有10年以上的±20ppm频率稳定性保证。CMEMS单芯片振荡器将会成为晶体振荡器的替代解决方案。

    Si50x CMEMS 振荡器系列产品包括针对工业、嵌入式和消费电子市场的四种可编程芯片，如下图4所示。每种芯片都可通过网络或现场定制。

图4. Si50x CMEMS 振荡器系列产品概述

    “Si501/2/3/4是通用XO替代产品，适用于应用需要：低功耗 (1–8mA)、低频率，LVCMOS时钟 (<100MHz)、小尺寸 (2.0x2.5mm)、低成本 (~$0.50 10K EAU)、高可靠性(高振动，高温度)、好的消费/嵌入式抖动性能 (1.1ps RMS 周期抖动)的系统中。” Steven Zhang表示。

    此外，针对消费类、嵌入式和工业中的通用定时需求，Si50x不仅是SoCs, CPLDs, mPs, FPGA 数字逻辑的理想时钟源，也是消费/嵌入式应用于中数据通路的理想时钟源，例如，SAS, SATA, DDR3和PCIe。

    “目前世强不推荐将Si50x用于通信应用，因为通信应用通常需要低相位抖动(<1ps RMS 12kHz-20MHz)， Silicon Labs晶体振荡器 (Si51x, Si53x, Si59x) 更适用于这种应用。”“但是我们今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖动，更高频率输出的延续产品可以满足众多通讯时钟需求。”Steven Zhang强调。

    如下图5所示，Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表。Si50x系列产品完善了Silicon Labs的振荡器产品系列。Si501/2/3/4系列产品针对工业、嵌入式和消费类市场中低成本、低功耗、通用目的振荡器。而Silicon Labs的Si51x/9x/3x针对具有高性能、低相位抖动需求的通信和数据传输应用。

图5. Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表

    “Si50x振荡器可提供网络定制的2周样品交付周期，世强的FAE还可以在客户现场即刻编程，使用现场编程器进行0延时样片交付。这种灵活的可编程性，使得Si50x 系列产品可以快速满足客户的特殊需求。此外，Si50x振荡器与现有的石英或MEMS振荡器引脚和封装兼容，可实现快速便捷的替换解决方案。” Steven Zhang表示。

图6. 使用现场编程器进行0延时样片交付

应用设计实例

    Si50x应用目标锁定于工业安防，变频伺服等需要超长寿命需求，以及数码相机、存储和内存、ATM机、POS机和多功能打印机等需要小封装晶振的领域。能够可靠和有效的用于典型的目标应用，包括：

SoC视频应用处理器 (Roku)
10/100快速以太网 (SoC & NIC/LOM 实现)
USB 2.0 (480Mbps)
USB 3.0 (5Gbps)
DDR3
工业安防
通讯
作为众多MCU的参考时钟取代传统晶振

    如下图7所示，在10/100快速以太网应用中，分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501 EVB的抖动。测试结果显示，Si501在低抖动模式下几乎与R&S高端信号发生器的随机抖动性能相同，Si501在低功耗模式下抖动性能稍有下降，但仍具有可接受的系统抖动裕量。所以，Si50x适合作为10/100快速以太网参考时钟。

图7. 10/100快速以太网——分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501 EVB的抖动

    如下图8所示，在USB 2.0的应用中，对比石英晶体振荡器，Si501低抖动模式和低功耗模式的眼图抖动性测试，所有配置均通过USB 2.0兼容性测试，Si501性能等于或超过典型的解决方案，所以Si501适用于作为USB2.0的参考时钟。

图8. USB 2.0兼容性测试

    Steven Zhang 后特别指出：“Si50x的产品定位就是取代传统的XO，所以他的价钱也和XO相当，客户不用担心用不起。所以，工程师们请不要再囿于自己惯性思维的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS 振荡器已经来了。”