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1、小器件大创新，小器件大创新，CMEMS 可编程振荡器撼动石英晶体振荡器百年可编程振荡器撼动石英晶体振荡器百年“霸业霸业”关键词： CMEMS，时钟，可编程振荡器 栏目：安防，消费电子，工业与医疗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最新例证就是，CMEMS 可编程振荡器凭借完全集成的、高可靠性 的 CMEMS（CM
2、OS+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
3、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 技术最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、
4、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
5、 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 公司和他们最新推出 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 两者的最好特性， 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最佳的 通用型振荡器解决方案。CMEMS 相比相比 XO 的优势的优势相比传统的石英晶体振荡
6、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
7、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
8、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
9、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 (18mA)、低频率， LVCMOS 时钟 (100MHz)、小尺寸 (2.0x2.5mm)、低成本 ($
10、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)
11、 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.
12、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
13、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
14、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 最后特别指出：“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。 ”
