簡(jiǎn)介

手機(jī)、計(jì)算機(jī)、收音機(jī)、手表和許多其他設(shè)備的成功都離不開(kāi)電子振蕩器。振蕩器可生成精確穩(wěn)定的輸出頻率，進(jìn)而產(chǎn)生定時(shí)脈沖并同步事件。

便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的興起，推動(dòng)了降低包括振蕩器在內(nèi)的各類(lèi)電子元件的能耗和占地面積的需求。基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的振蕩器將精確的輸出頻率和低功耗相結(jié)合，在時(shí)鐘電路中被廣泛采納。

本文將介紹MEMS技術(shù)、MEMS振蕩器以及它們?yōu)槭裁茨茉诒銛y式和非便攜式應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的解決方案。

傳統(tǒng)振蕩器類(lèi)型概述

在MEMS器件出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)應(yīng)用的具體需求，通過(guò)多種方法來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào)。

成本最低的選擇是RC振蕩器，它使用無(wú)源元件網(wǎng)絡(luò)和放大器，通過(guò)正反饋電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)。例如，相移振蕩器使用三個(gè)累積相移為180°的級(jí)聯(lián)RC，在添加到運(yùn)放周?chē)姆答伝芈窌r(shí)，會(huì)產(chǎn)生正反饋，從而產(chǎn)生振蕩輸出。

集成硅振蕩器也采用了類(lèi)似的電路，但所有的元件都集成在一個(gè)芯片上，也可以提供更精確的操作和更高的溫度性。硅振蕩器可在出廠前預(yù)置工作頻率。例如，Maxim Integrated MAX7375出廠時(shí)的預(yù)置工作頻率為600 kHz至9.99 MHz，并具有2%的初始精度和±50ppm/℃溫漂。

對(duì)于精密應(yīng)用，傳統(tǒng)的解決方案是采用基于振蕩石英晶體的電路。這是一種壓電器件；當(dāng)對(duì)其施加電壓時(shí)，就可以將它看作是一個(gè)具有精確諧振頻率的RLC電路。陶瓷諧振器采用類(lèi)似的工作原理，但其振動(dòng)元件由鈦酸鉛鋯 (PZT)等陶瓷材料制成。

為了制作振蕩器，需要將晶體或諧振器與以共振頻率驅(qū)動(dòng)的模擬電路結(jié)合起來(lái)。許多嵌入式處理器都有內(nèi)部電路，可以輕松容納任何類(lèi)型的器件。晶振模塊也可以將晶體和支持電路封裝在一起。

表1對(duì)各種傳統(tǒng)振蕩器進(jìn)行了對(duì)比。

表1: 傳統(tǒng)振蕩器對(duì)比 (來(lái)源：Maxim)

MEMS技術(shù)與振蕩器

MEMS技術(shù)采用光刻、沉積和蝕刻等標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝，生產(chǎn)出從小于1微米到幾毫米不等的微型機(jī)電元件。

1965年，美國(guó)西屋電氣公司的哈維·納森森發(fā)明了第一款MEMS器件，這是一種用于微電子固態(tài)無(wú)線電的微型機(jī)械調(diào)諧器。20世紀(jì)90年代，MEMS壓力傳感器和加速度計(jì)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于汽車(chē)安全氣囊和醫(yī)用呼吸器等領(lǐng)域，推動(dòng)了MEMS技術(shù)的蓬勃發(fā)展，并降低了MEMS技術(shù)成本。

MEMS諧振器結(jié)構(gòu)小巧 (0.1mm或更小)，用于在靜電激勵(lì)下以高頻振動(dòng)。制造時(shí)，首先在絕緣體上的硅 (SOI) 層中蝕刻諧振器結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)用氧化物填充溝槽來(lái)對(duì)晶體表面進(jìn)行平坦處理。接下來(lái)，形成接觸孔，以便進(jìn)行電氣連接。最后，用氫氟酸除去氧化物，以產(chǎn)生具有振動(dòng)能力的獨(dú)立諧振器梁。

圖1：根據(jù)所需頻率不同，MEMS諧振器的尺寸和形狀也會(huì)有所不同 (來(lái)源：SiTime)

MEMS諧振器的諧振頻率與其尺寸成反比，現(xiàn)有kHz和MHz頻率供選擇。kHz級(jí)諧振器針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，通常用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘等計(jì)時(shí)應(yīng)用，或?yàn)?a target="_blank">電源管理系統(tǒng)提供睡眠和喚醒功能。MHz級(jí)諧振器用于為對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求極高的串行和并行通信提供精確的參考。

如圖2所示，MEMS振蕩器結(jié)合了MEMS諧振器裸片和可編程振蕩器IC；諧振器由模擬振蕩器IC上的電路塊驅(qū)動(dòng)。諧振器維持電路驅(qū)動(dòng)諧振器產(chǎn)生機(jī)械振蕩。兩個(gè)裸片以堆疊裸片或倒裝芯片的方式安裝在一起，并以標(biāo)準(zhǔn)或芯片級(jí)封裝形式封裝起來(lái)。

圖2：MEMS振蕩器在單個(gè)封裝中集成了諧振器和單獨(dú)的振蕩器裸片。對(duì)于精密應(yīng)用，通常需要集成溫度補(bǔ)償 。 (來(lái)源：SiTime)

輸出頻率通過(guò)N分頻鎖相環(huán) (PLL) 模塊進(jìn)行設(shè)置，該模塊產(chǎn)生的輸出信號(hào)是MEMS諧振器頻率的N分頻。片上一次性可編程 (OTP) 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)配置參數(shù)。許多器件還具備可配置驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的輸出驅(qū)動(dòng)器，用于匹配阻抗或減少輻射。

對(duì)于精密定時(shí)應(yīng)用，MEMS振蕩器通?？赏ㄟ^(guò)片上溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

MEMS封裝形式

與其他半導(dǎo)體器件一樣，MEMS振蕩器有多種封裝形式。對(duì)于正在尋找替代石英振蕩器的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，采用兼容2×1.2mm (2012) SMD封裝的MEMS振蕩器絕對(duì)是一個(gè)很好的選擇。但由于MEMS振蕩器需要兩個(gè)額外的電源和接地引腳，所以特意將這些引腳放置在現(xiàn)有SMD端蓋之間，如圖3所示。

圖3：除了傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝，MEMS振蕩器還提供SMD和CSP兩種封裝形式 (來(lái)源：SiTime)

此外，利用芯片級(jí)封裝 (CSP) 技術(shù)，MEMS振蕩器可以與ASIC或微控制器等其它器件封裝在一起。

MEMS振蕩器性能

早期的MEMS諧振器不夠穩(wěn)定，不能用作定時(shí)基準(zhǔn)，但目前的器件可以實(shí)現(xiàn)低至±5ppm的穩(wěn)定性。對(duì)于便攜式應(yīng)用，低功耗器件還可實(shí)現(xiàn)±20ppm的頻率容差和±100ppm的穩(wěn)定性。

半導(dǎo)體封裝的使用使MEMS振蕩器能夠承受高強(qiáng)度的沖擊和振動(dòng)，對(duì)于便攜式和可穿戴設(shè)備（如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和手表）等容易掉落的設(shè)備，更是有著非凡的意義。

MEMS振蕩器產(chǎn)品示例

一些制造商提供低功耗MEMS振蕩器和支持產(chǎn)品。例如，SiTime的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振蕩器，針對(duì)移動(dòng)和其他電池供電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。SiT1533的最大工作電流僅為1.4μA，使用推薦布局時(shí)，與現(xiàn)有2012 XTAL引腳和封裝兼容。該器件的工廠可編程輸出可降低電壓擺幅，從而將功耗降至最低。1.2V-3.63VDC的工作電壓使其適用于采用低電壓紐扣電池或超級(jí)電容器作為備用電池的移動(dòng)應(yīng)用。

Microchip的DSC1001是基于MEMS的振蕩器，在廣泛的電源電壓和溫度范圍內(nèi)具有出色的抗抖動(dòng)性和低至10ppm的穩(wěn)定性。該器件的工作頻率范圍為1MHz至150MHz,電源電壓為1.8至3.3VDC，溫度為-40oC至105oC。

MEMS振蕩器可在極寬的頻率范圍內(nèi)工作。例如，AbraconASTMK-0.001kHz可以低至1Hz的頻率運(yùn)行，容差為20ppm，電流消耗為1.4μA。而IDT的4H系列超低抖動(dòng)MEMS振蕩器卻可以625MHz的頻率運(yùn)行。

使用MEMS振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)

為了與高頻時(shí)鐘保持一致，設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循最佳實(shí)踐布局技術(shù)，例如限制走線長(zhǎng)度、注意布線、限制過(guò)孔的使用以及使用接地層等等。

此外，正確使用電容器還可提供以下功能：
去耦：快速開(kāi)關(guān)器件 (如時(shí)鐘振蕩器) 可能會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致電壓下降?？拷娫捶胖萌ヱ铍娙菘梢猿洚?dāng)本地儲(chǔ)存器，以確保始終有足夠的電荷。
旁路：為了限制系統(tǒng)傳播的噪聲量，需要通過(guò)旁路電容來(lái)提供低阻抗路徑，將這種瞬態(tài)能量分流到地。
降低電源噪聲：在大多數(shù)應(yīng)用中，電源電壓和電源回路會(huì)之間接入一個(gè)0.1μF電容，將大部分電源噪聲分流到地。為了進(jìn)一步降低噪聲，設(shè)計(jì)人員還可以運(yùn)用RC或LC電源濾波策略。

降低EMI的方法

隨著處理器速度的提高以及在更小空間中容納更多設(shè)備需求的增多，使電磁兼容性 (EMC) 變得日益重要。

某個(gè)設(shè)備生成的信號(hào)可能會(huì)耦合到其他設(shè)備中，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤或發(fā)生故障。振蕩器時(shí)鐘通常是電磁干擾 (EMI) 的主要來(lái)源，因?yàn)樗删哂懈哳l諧波的重復(fù)方波組成，并且通常廣泛分布在整個(gè)電路板上。

濾波、屏蔽和良好的布局可能會(huì)限制EMI，但會(huì)增加成本并占用電路板空間。另一種方法是通過(guò)隨時(shí)間緩慢調(diào)制時(shí)鐘頻率來(lái)減少時(shí)鐘產(chǎn)生的噪聲，這種方法降低了基頻和諧波頻率中的峰值頻譜能量，有助于進(jìn)行FCC認(rèn)證，這種認(rèn)證方法使用特定帶寬內(nèi)的峰值功率來(lái)確定EMI。

可編程擴(kuò)頻MEMS振蕩器 (如SiT9003) 通過(guò)用32kHz三角波調(diào)制其PLL來(lái)降低EMI，從而改變輸出中心頻率。擴(kuò)頻量可由用戶(hù)選擇；例如，在98MHz到100MHz之間調(diào)節(jié)輸出頻率可以使平均EMI降低13dB。

結(jié)論

MEMS振蕩器擁有低功耗、小尺寸、高性能和物理穩(wěn)健性等諸多出色的性能，成為了眾多應(yīng)用的理想選擇，特別是便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品。

利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造和封裝方法的能力意味著，MEMS振蕩器的成本和性能將繼續(xù)得以?xún)?yōu)化，進(jìn)而占領(lǐng)傳統(tǒng)上采用石英晶體和陶瓷諧振器的應(yīng)用市場(chǎng)。

審核編輯：郭婷