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    MEMS振荡器在射频应用中挑战石英晶体

    福建31选7今天开奖结果 www.ewbp.com.cn 已有 105 次阅读2018-4-27 11:33 |个人分类:电子技术| 关键词: 振荡器, 射频应用, 石英晶体

            除了极少数例外,每个电子电路需要一个振荡器,也称为时钟,时钟发生器,或定时电路。它的作用是为处理器、存储器功能、通信端口、A/D和D/A转换器(如果有的话)以及许多其他功能提供“心跳”。在非关键的、低预算的情况下,例如10美元的大规模市场电子温度计,这个时钟可以由简单的电阻器/电容器(RC)振荡器制成。然而,对于绝大多数更为关键的情况,振荡器基于石英晶体(图1)。这是一个成熟的(80年以上)和高效率的技术,可以支持从KHz到数百MHz的宽范围的频率,性能跨越相当好到优秀,这取决于晶体切割,制造,包装,和其他考虑。

      石英晶体标准图像符号

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      图1:可尊敬的石英晶体(但不是整个振荡器)由标准的示意符号表示;b)等效电路从简化的模型开始,但随着工作频率的增加,可以变得更加复杂。

      然而,晶体的进展已经达到了平稳期,而对定时功能的性能、尺寸、成本和集成的要求也在不断增加。为了满足这些需要,一种新的和破坏性的方法开始侵蚀石英器件,基于硅MEMS(微机电系统)技术,该技术可以提供石英级性能,并且在性能和成本水平上适合于许多应用。MEMS器件已经被高度开发并用于高容量以检测压力、运动和加速度,并且它们现在被扩展到一个新的角色。

      定时功能的要求在RF应用中尤其具有挑战性,其中振荡器不仅是处理器的时钟,而且可以容忍小抖动。在RF中,它在数百MHz和GHz范围内建立基本载波/信道调谐,以确保A/D和D/A转换器的正确时钟。对于转换器,任何抖动转换成转换器噪声和失真,因此在RF设计中是一个关键规范。


      振荡器工作

      晶体定时装置的结构和操作基于长期已知的压电原理,由此电信号在晶体中引起应力,并且反过来也是正确的:施加的应力使晶体产生微小的电压。通过使用一个小的平板或石英的空白,以及适当的电路,石英充当调谐谐振器,以提供精确的间隔时钟信号,用于整个电子系统。

      在基于MEMS的设备中,使用了根本不同的方法。在芯片的芯处蚀刻的硅的作用类似于在期望的频率下谐振的音叉,而芯片上的附加电子电路管理和放大该时钟信号(图2)。

      MEMS振荡器技术的图像

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      图2:MEMS振荡器技术使用一种类似于音叉的谐振器蚀刻到硅中的版本,加上支持电路。

      有几十个第一,第二,甚至第三层参数,用来评估任何振荡器,无论是水晶或其他。所需的最小值或最大值当然取决于应用,但是这些参数的相对权重随设计而变化。

      关键参数包括标称工作频率、绝对精度、老化相关稳定性、短期和长期漂移(温度系数和补偿)、抖动、工作温度范围、封装和尺寸、工作电压、电源灵敏度、功耗、冲击/振动R。感谢,启动时间,供应商的变化,和成本,引用一些。这些都是在不同的方式和不同的条件下合法地测量的,这取决于应用需求和任何历史背景。


      微机电系统的优势与现实

      石英晶体振荡器由多个部件组装而成,包括精心切割和抛光的石英坯料、安装在封装中的安装件,同时还提供电接触(和一些抗冲击/振动),以及外壳封装本身(对于更多的背景SE)。CTS产品培训??椤八敝诱竦雌鳌?。相反,MEMS振荡器是在标准工艺CMOS生产线上制造的IC,在大多数情况下使用8英寸晶片。在探测、修整和测试之后,该设备被包装;再次,就像任何IC一样。因此,MEMS器件受益于用于常规IC的批量生产技术和工艺。(对于MEMS振荡器的附加背景,见其ASFLM1系列上的ABracon产品培训????;贛EMS的器件的其它优点包括:

      最后的装置比石英版小。这不仅节省了宝贵的PC板房地产,但它允许定时装置更靠近它所支持的设备,以更好的信号完整性和减少EMI。

      MEMS振荡器可以具有建立在芯片上的有源电路,该电路可用于补偿性能相对于温度或供电轨变化的补偿电路。它也可以用来提供完整的振荡器功能,因为无论是石英晶体还是MEMS谐振器本身都不是一个完整的振荡器(尽管这个术语通常是这样使用的);每一个都需要一些相关的电路来驱动核心时序元件和条件/缩放输出。许多振荡器还需要锁相环将基波振荡器频率乘以所需载波频率,这也可以是IC的一部分。

      完整的MEMS振荡器核心、振荡器电路和接口比等效石英功能低功率。

      此外,正在进行工作以允许MEMS器件的芯片与其驱动的IC(例如A/D转换器)的共同封装,以相同的方式存储存储器IC现在堆叠并与微控制器或微处理器一起封装。这将提供多个好处:较少的板房地产需要,简化BOM,改进的单一完整性,以及测试和保证性能的振荡器加转换器不关心PC布局问题(这是具有挑战性的,往往令人沮丧的在GHz范围的RF电路)。

      鉴于所有这些优点,MEMS器件没有移位晶体振荡器的原因有几个:

      可用的MEMS器件的性能可能还不满足特定应用的要求。

      RF设计者相当谨慎,因为定时功能对系统性能是至关重要的。

      虽然晶体有其缺点和工件,这些都是相当清楚地理解。相反,MEMS器件的微妙和变化莫测,只有RF设计者能够接受前沿设计的水平。

      新的RF设计通常包含一个或几个新的市场组件,如高性能LNAs或A/D和D/A转换器,但是设计者不愿意尝试太多的新组件。这是关于风险管理和有多少不熟悉的设备,设计者一次使用就很舒服,即使每一个都是潜在的有益的。

      当然,成本是一个成熟的技术,水晶供应商已经通过经验和体积来降低成本。虽然MEMS器件提供了更低成本的潜力,但必须根据逐个BOM的情况来判断。


      MEMS振荡器成为现成的标准件

      一些可用的MEMS定时设备说明了这些组件的能力。例如,SITEM SIT8209高频、超性能振荡器(图3)可以在80.000001至220兆赫之间的任何频率下排序,精确到六位小数。为了过渡的方便,它被封装为用于更换石英振荡器的引脚跌落销,其特征在于超低相位抖动仅为0.5秒,频率稳定度低至±10 ppm。此外,SIMTIME还提供了许多适用于不同应用设计要求的MEMS器件系列。

      SITIM-SIT8209的图像

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      图3:SITIME SIT8209提供非常低的抖动,对许多通信应用至关重要;图中示出的是当在3.3 V与LVCMOS输出一起工作时在156.25 MHz的相位噪声。

      硅实验室提供四系列(SI501,SI502,SI503,SI504),其成员在额外的特性上有所不同,保证了10年的频率稳定性,包括焊锡移位、负载拉动、电源变化、工作温度范围、振动和冲击;供应商声称这是10??杀仁⑵骷谋V?。该单元提供32 kHz至100 MHz之间的任何频率,并且频率稳定性选项包括±20、±30和±50 ppm跨商用(-20℃至70℃)和工业(-40℃至85℃)的温度范围。四个引线装置(图4)在+V至+3.63 V之间的任何供电轨上工作。

      Si501/2/3/4族硅实验室图像

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      图4:来自硅实验室的SI501/2/3/4族的成员具有相同的基本性能规格,但在诸如输出使能和频率选择等额外功能的可用性方面有所不同。

      麦克雷尔的Micrel MEMS振荡器单元(图5)可在2.3至460 MHz的频率下工作(例如,DSC1123的频率为156.25 MHz)。典型的RMS相位抖动低于1 psec,稳定性可以在±10,±25或±50 ppm的额定值下订购。 LVDS输出器件采用2.5×2.0,3.2×2.5,5.0×3.2和7.0×5.0 mm封装,以适应现有封装,需要2.25至3.6 V电源。该厂商宣称MTF(平均无故障时间)比石英设备好20倍。

      麦克雷尔DSC单元的图像

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      图5:麦瑞半导体的DSC单元是标准6引脚LVDS石英晶体振荡器的“插入式”替代产品;设备仅在启用控制引脚的使用方面有所不同。


      概要

      很难预测基于MEMS的时序器件在多大程度上取代了RF设计中长期建立的基于石英的晶体单元,以及这种转换需要多长时间。毫无疑问,MEMS单元的优势及其在性能,尺寸,成本和封装方面的未来潜在优势使其在低频率下的竞争非常激烈,并越来越多地进入更高的RF频谱。

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