便攜式和可穿戴電子產品的增長推動了降低包括振蕩器在內的所有類型電子元件的能耗和占地面積的需求.手機,計算機,收音機,手表和許多其他設備依賴于它們在電子振蕩器上的成功,該電子振蕩器產生具有精確頻率的輸出以產生定時脈沖并同步事件.基于微機電系統(MEMS)技術的振蕩器將精確的頻率生成與低功耗相結合,并且在時鐘電路中變得越來越流行.本文深圳康比電子將介紹MEMS技術,MEMS振蕩器以及為什么它們在便攜式和非便攜式應用中取代更傳統的解決方案.

傳統振蕩器類型概述

在MEMS器件出現之前,設計人員使用了幾種方法來生成時鐘信號,具體取決于應用要求.

成本最低的選項是RC振蕩器,它使用無源元件網絡和放大器,利用正反饋產生振蕩信號.例如,相移振蕩器使用三個級聯RC部分,累積相移為180°.當添加到運算放大器周圍的反饋回路時,會產生正反饋,從而產生振蕩輸出.

集成硅振蕩器使用類似的電路,但所有組件都在一個芯片上,從而提供更精確的操作和更高的溫度性能.硅振蕩器可選擇工廠編程的工作頻率.例如,MaximIntegrated的MAX7375可在出廠時調整為600kHz至9.99MHz,初始精度為2％,溫度漂移為±50ppm/°C.

對于精密應用,傳統解決方案是基于振動石英晶振的電路.它是一種壓電器件;當在其上施加電壓時,其表現得像具有精確諧振頻率的RLC電路.陶瓷諧振器使用類似的工作原理,但其振動元件由諸如鋯鈦酸鉛(PZT)的陶瓷材料制成.

為了制作振蕩器,晶體或諧振器與模擬電路相結合,以共振頻率驅動它.許多嵌入式處理器都包含內部電路,可以輕松容納任何類型的設備.或者,石英晶體振蕩器模塊將晶體和支持電路組合成單個封裝.

表1比較了這些不同的選項.

表1:傳統振蕩器選項的比較(來源:Maxim)

MEMS技術和MEMS振蕩器

MEMS技術使用標準的半導體制造工藝,例如光刻,沉積和蝕刻,以生產尺寸從小于1微米到幾毫米的微型電子機械元件.

西屋公司的HarveyNathanson于1965年發明了第一臺MEMS器件,作為微電子無線電調諧器.在20世紀90年代,MEMS壓力傳感器和加速度計開始廣泛應用于汽車安全氣囊和醫用呼吸器等應用,推動了廣泛的發展,并有助于降低MEMS技術的成本.

MEMS諧振器是一種小型結構(0.1mm或更小),設計用于在靜電激勵下以高頻振動.在制造可編程晶振期間,首先在絕緣體上硅(SOI)層中蝕刻諧振器結構.然后通過用氧化物填充溝槽來平坦化晶片表面.接下來,形成接觸孔以允許進行電連接.最后,用氫氟酸除去氧化物,以產生具有振動能力的獨立式諧振器梁

圖1:根據所需頻率,MEMS諧振器具有不同的尺寸和形狀(來源:SiTime)

MEMS諧振器的諧振頻率與其大小成反比,并且可以使用kHz和MHz頻率諧振器.kHz范圍內的諧振器針對低功耗進行了優化.它們通常用于實時時鐘等計時應用,或為電源管理系統提供睡眠和喚醒功能.具有MHz頻率的諧振器為串行和并行通信提供精確的參考,其中數據傳輸速度至關重要.

如圖2所示,MEMS振蕩器結合了MEMS諧振器芯片和可編程振蕩器IC;諧振器由模擬振蕩器IC上的電路塊驅動.諧振器維持電路驅動諧振器進入機械振蕩.兩個裸片以堆疊裸片或倒裝芯片配置安裝在一起,并以標準或芯片級封裝包裝.

圖2:MEMS振蕩器在單個封裝中包括諧振器和單獨的振蕩器管芯.精密應用通常需要集成溫度補償.(來源:SiTime)

輸出頻率由分數N鎖相環(PLL)模塊設置,該模塊產生的輸出信號是MEMS諧振器頻率的倍數(N).片上一次性可編程(OTP)存儲器存儲配置參數.許多器件還包括具有可配置驅動強度的輸出驅動器,用于阻抗匹配或減少排放.

對于精密定時應用,MEMS蕩器通常包括通過片上溫度傳感器進行溫度補償.

MEMS封裝

與其他半導體器件一樣,MEMS振蕩器也有多種封裝形式.對于希望在現有設計中取代石英振蕩器的設計人員而言,MEMS振蕩器采用兼容的2.0x1.2mm(2012晶振)SMD封裝.由于MEMS振蕩器需要兩個額外的電源和接地引腳,因此它們位于現有的SMD端蓋之間,如圖3所示.

圖3:除傳統半導體封裝外,MEMS振蕩器還提供SMD和CSP尺寸(來源:SiTime)

此外,MEMS振蕩器可以使用芯片級封裝(CSP)技術與諸如ASIC或微控制器的另一設備組合成單個封裝.

MEMS振蕩器性能

早期的MEMS諧振器不夠穩定,無法用作定時參考,但是電流發生器件可以實現低至±5ppm的穩定性.對于便攜式應用,低功耗器件可以達到±20ppm的頻率容差和±100ppm的穩定性.

半導體封裝的使用允許MEMS振蕩器承受高水平的沖擊和振動,這在便攜式和可穿戴設備(例如數碼相機,手機和手表)中特別有價值,這些設備總是易于掉落.

MEMS振蕩器產品的例子

一些制造商提供低功耗MEMS振蕩器和支持產品.例如,SiTime晶振的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振蕩器,專為移動和其他電池供電應用而優化.SiT1533的最大工作電流僅為1.4μA,與使用推薦布局時的現有2012XTAL引腳兼容且占位面積兼容.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壓紐扣電池或超級電容器作為備用電池的移動應用.

在DSC1001從Microchip的是基于MEMS的振蕩器提供優異的抖動和穩定性能低至10ppm的在寬范圍的電源電壓和溫度.該器件工作頻率范圍為1MHz至150MHz,電源電壓范圍為1.8至3.3VDC,溫度范圍高達-40ºC至105ºC.

MEMS振蕩器可在極寬的頻率范圍內使用.該ABRACONASTMK-0.001kHz,例如,可以打倒20ppm的耐受性,同時消耗1.4μA操作,以1Hz的.另一方面,IDT的4H系列超低抖動MEMS振蕩器可以工作在625MHz.

使用MEMS振蕩器進行設計

為了與高頻時鐘32.768K器件保持一致,設計人員應遵循最佳實踐布局技術,例如限制走線長度,注意布線,限制過孔的使用以及使用接地層.

此外,正確使用電容器可以在以下幾個方面提供幫助:

去耦:快速開關器件(如時鐘振蕩器)可能會對電源產生很大的需求,電壓可能會下降.靠近電源的去耦電容可以充當本地儲存器,以確保始終有足夠的電荷.

旁路:為了限制通過系統傳播的噪聲量,需要旁路電容來提供低阻抗路徑,將這種瞬態能量分流到地.

降低電源噪聲:在大多數應用中,電源電壓和功率回路之間的單個0.1μF電容會將大部分電源噪聲分流到地.為了降低噪聲,設計人員可以實施RC或LC電源濾波策略.

減少EMI的選項

隨著處理器速度的提高以及更多設備被塞入更小的空間,確保設備之間的電磁兼容性(EMC)變得更加重要.

在一個設備中生成的信號可能會耦合到其他設備中,從而導致錯誤或故障.振蕩器時鐘通常是電磁干擾(EMI)的主要來源,因為它由具有高頻諧波的重復方波組成,并且通常廣泛分布在整個電路板上.

濾波,屏蔽和良好的布局實踐可能會限制EMI,但會增加成本并消耗電路板空間.另一種方法是通過隨時間緩慢調制時鐘頻率來減少時鐘產生的噪聲.這種變化降低了基頻和諧波頻率中的峰值頻譜能量.這種減少也有助于FCC認證,該認證使用特定帶寬內的峰值功率來確定EMI.

可編程擴頻MEMS振蕩器(如SiT9003)通過用32kHz三角波調制其PLL來降低EMI,從而改變輸出的中心頻率.頻率擴展量可由用戶選擇;例如,改變98MHz和100MHz之間的輸出頻率可以使平均EMI降低13dB.

結論

MEMS振蕩器提供低功耗,小尺寸,高性能和物理穩健性的有吸引力的組合,使其成為眾多應用的理想選擇,特別是在便攜式和可穿戴電子產品中.他們利用標準半導體制造和封裝方法的能力意味著他們的成本和性能將繼續提高,確保他們將繼續進入傳統上保留用于石英晶體和陶瓷諧振器的應用.

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