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简化设计降低成本 全硅MEMS振荡器正在取代石英晶振

中心议题:

传统晶振的频率来自石英。石英晶片施加电场后,晶片会产生机械变形,反之,若施加压力使石英晶片发生变形,则在晶片上会产生电场,这就是石英的压电效应。现在,MEMS技术的应用使得MEMS元件可以取代晶振中的石英晶片产生频率,MEMS振荡器正在挑战传统石英晶振的地位。

MEMS振荡器的构造

晶振的核心的石英晶体切割而成的薄片,MEMS振荡器的核心是MEMS谐振器。图1是MEME振荡器的内部构造,右边的MEMS谐振器四边的梁可以前后振动,从而产生频率。SiTime是一家提供MEMS全硅时钟方案的无晶圆厂模拟IC设计公司。SiTime市场营销副总裁Piyush Sevalia介绍说,将MEMS谐振器进行真空封装,然后与一颗模拟IC封装在一起就可以构成一个完整的MEMS振荡器。相比与石英晶振的金属或陶瓷封装,MEMS振荡器采用低成本的塑料封装。

图1:MEMS谐振器四边的梁前后振动产生时钟频率

图2:MEMS谐振器与模拟IC集成在一起,可以采用低成本的塑料封装

SiTime的MEMS时钟技术来自博世(Bosch)。2005年,SiTime从博世分拆出来专注于全硅时钟解决方案。对于MEMS时钟方案取代石英晶振的意义,Piyush Sevalia认为,这样的取代如同集成电路取代电子管器件、存储芯片取代光盘和胶卷一般伟大!

MEMS振荡器VS石英晶振

基于不同原理,MEMS振荡器相对石英晶振有一些比较优势:

  • 可以集成在内部标准塑料封装中
  • 集成实现高精度时钟 (±5 PPM 至 ±25 PPM)
  • 无需任何外部时钟,简化了系统设计
  • 无 PCB 布板或 XTAL 匹配问题
  • 较低拥有成本 

对于较低拥有成本,MEMS振荡器本身成本比石英晶振低,而且工程师在使用时可以设置输出频率,一颗器件能够输出多种频率,不必像石英晶振一样,为不同的频率安装不同的晶振。Piyush Sevalia介绍说,这一点对于用户端的工程师和器件生产厂家都是利好。石英晶振在晶片切割时频率就已经固定,无法通用,MEMS振荡器让时钟产品成为标准品一样的生产和使用。

图3:MEMS振荡器解决方案不需外部时钟,简化了系统设计

目前,SiTime MEMS振荡器的批量应用市场包括:存储服务器、EPON/GPON网关、计算服务器、10G交换机、以太网交换机、平板电脑、电子书、笔记本电脑、机顶盒、SSD、基站、MFP、VoIP电话、DVR/CCTV/IP摄像机、DSC、对讲机、智能电表、视频电话、汽车黑匣子等。由于功耗与相位噪声暂时达不到手机应用的要求,所以应用在手机中的MEMS振荡器还在开发中。Piyush Sevalia介绍说:到2011年9月为止,SiTime已经交付了7500万颗MEMS振荡器,在MEMS时钟市场占有85%的市场份额,计划明年出货量做到1亿颗。电脑OEM 5强中的4家、消费电子OEM 5强中的3家、合同制造商5强中的3家、ODM 5强均已批量使用SiTime的产品。

全硅MEMS三级时钟方案替代恒温晶振和温补晶振

近日,SiTime推出了SiT530x系列全硅MEMS三级时钟(Stratum 3)解决方案,以替代传统的恒温晶振和温补晶振产品。Yole Développement首席执行官和创始人Jean-Christophe Eloy,表示:“MEMS时钟替代传统恒温晶振和温补晶振产品代表着了一个新的里程碑,因为这在几年前还被认为是无法通过MEMS时钟技术实现的。”

图4:MEMS三级钟和传统OCXO和TCXO三级钟的比较

SiT5301和SiT5302定位于电信和网络基础设施,如基于同步光纤网(SONET)和同步以太网的核心及边缘路由器、无线基站、IP时钟和智能电网等应用。SiT530x系列兼具三级钟(Stratum 3)稳定性、小尺寸、低电压运行和可编程特性,支持客户方便快捷地实现产品的差异化和定制。SiTime首席执行官Rajesh Vashist表示:“SiTime的革命性技术能够集成全硅MEMS和模拟集成电路,从而实现创新解决方案。石英行业用了几十年时间才实现该精密度,而SiTime仅用了5年时间便突破了这一性能水平。通过将高性能、低成本和易用性完美结合,我们已成功使500多家客户放弃了传统的石英产品,转而采用我们的产品。”

SiTime代理商艾睿电子全球市场和Asset Management高级副总裁Jeff Eastman指出:“SiTime可编程架构可保证艾睿随时有现货。我们许多客户都以在收益于SiTime全硅方案的优点。艾睿遍布全球的销售渠道和SiTime独一无有的技术,可使我们更有力更快速在电子市场中全面的推广SiTime具有创新性的时钟产品。”

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