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MEMS振蕩器取得進(jìn)展

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2019-03-22 09:24:08【大中小】

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便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)推動(dòng)了降低包括振蕩器在內(nèi)的所有類(lèi)型電子元件的能耗和占地面積的需求.手機(jī),計(jì)算機(jī),收音機(jī),手表和許多其他設(shè)備依賴(lài)于它們?cè)陔娮诱袷幤魃系某晒?該電子振蕩器產(chǎn)生具有精確頻率的輸出以產(chǎn)生定時(shí)脈沖并同步事件.基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的振蕩器將精確的頻率生成與低功耗相結(jié)合,并且在時(shí)鐘電路中變得越來(lái)越流行.本文深圳康比電子將介紹MEMS技術(shù),MEMS振蕩器以及為什么它們?cè)诒銛y式和非便攜式應(yīng)用中取代更傳統(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)人員使用了幾種方法來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào),具體取決于應(yīng)用要求.

成本最低的選項(xiàng)是RC振蕩器,它使用無(wú)源元件網(wǎng)絡(luò)和放大器,利用正反饋產(chǎn)生振蕩信號(hào).例如,相移振蕩器使用三個(gè)級(jí)聯(lián)RC部分,累積相移為180°.當(dāng)添加到運(yùn)算放大器周?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.

集成硅振蕩器使用類(lèi)似的電路,但所有組件都在一個(gè)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(chǎng)編程的工作頻率.例如,MaximIntegrated的MAX7375可在出廠(chǎng)時(shí)調(diào)整為600kHz至9.99MHz,初始精度為2％,溫度漂移為±50ppm/°C.

對(duì)于精密應(yīng)用,傳統(tǒng)解決方案是基于振動(dòng)石英晶振的電路.它是一種壓電器件;當(dāng)在其上施加電壓時(shí),其表現(xiàn)得像具有精確諧振頻率的RLC電路.陶瓷諧振器使用類(lèi)似的工作原理,但其振動(dòng)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(jié)合,以共振頻率驅(qū)動(dòng)它.許多嵌入式處理器都包含內(nèi)部電路,可以輕松容納任何類(lèi)型的設(shè)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(gè)封裝.

表1比較了這些不同的選項(xiàng).

時(shí)鐘源	準(zhǔn)確性	成本	評(píng)論
RC振蕩器	非常低	--	可能對(duì)EMI和濕度敏感。溫度表現(xiàn)不佳。
集成硅振蕩器	低至中等	-	對(duì)EMI，濕度和振動(dòng)不敏感。小尺寸; 無(wú)需其他組件。溫度靈敏度優(yōu)于RC，比晶體或陶瓷諧振器更差。
陶瓷諧振器	介質(zhì)	+	對(duì)EMI，濕度和振動(dòng)敏感。需要外部驅(qū)動(dòng)器。
水晶	中到高	++	對(duì)EMI，濕度和振動(dòng)敏感。需要外部驅(qū)動(dòng)電路。
晶體振蕩器模塊	高	+++	對(duì)EMI和濕度不敏感。無(wú)需其他組件。功耗高; 對(duì)振動(dòng)敏感; 大包裝。

表1:傳統(tǒng)振蕩器選項(xiàng)的比較(來(lái)源:Maxim)

MEMS技術(shù)和MEMS振蕩器

MEMS技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝,例如光刻,沉積和蝕刻,以生產(chǎn)尺寸從小于1微米到幾毫米的微型電子機(jī)械元件.

西屋公司的HarveyNathanson于1965年發(fā)明了第一臺(tái)MEMS器件,作為微電子無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器.在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)用呼吸器等應(yīng)用,推動(dòng)了廣泛的發(fā)展,并有助于降低MEMS技術(shù)的成本.

MEMS諧振器是一種小型結(jié)構(gòu)(0.1mm或更小),設(shè)計(jì)用于在靜電激勵(lì)下以高頻振動(dòng).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(jié)構(gòu).然后通過(guò)用氧化物填充溝槽來(lái)平坦化晶片表面.接下來(lái),形成接觸孔以允許進(jìn)行電連接.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)立式諧振器梁

圖1:根據(jù)所需頻率,MEMS諧振器具有不同的尺寸和形狀(來(lái)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(nèi)的諧振器針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化.它們通常用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘等計(jì)時(shí)應(yīng)用,或?yàn)殡娫垂芾硐到y(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸速度至關(guān)重要.

如圖2所示,MEMS振蕩器結(jié)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(qū)動(dòng).諧振器維持電路驅(qū)動(dòng)諧振器進(jìn)入機(jī)械振蕩.兩個(gè)裸片以堆疊裸片或倒裝芯片配置安裝在一起,并以標(biāo)準(zhǔn)或芯片級(jí)封裝包裝.

MEMS振蕩器取得進(jìn)展

圖2:MEMS振蕩器在單個(gè)封裝中包括諧振器和單獨(dú)的振蕩器管芯.精密應(yīng)用通常需要集成溫度補(bǔ)償.(來(lái)源:SiTime)

輸出頻率由分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)(PLL)模塊設(shè)置,該模塊產(chǎn)生的輸出信號(hào)是MEMS諧振器頻率的倍數(shù)(N).片上一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)配置參數(shù).許多器件還包括具有可配置驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的輸出驅(qū)動(dòng)器,用于阻抗匹配或減少排放.

對(duì)于精密定時(shí)應(yīng)用,MEMS蕩器通常包括通過(guò)片上溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

MEMS封裝

與其他半導(dǎo)體器件一樣,MEMS振蕩器也有多種封裝形式.對(duì)于希望在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中取代石英振蕩器的設(shè)計(jì)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(gè)額外的電源和接地引腳,因此它們位于現(xiàn)有的SMD端蓋之間,如圖3所示.

圖3:除傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝外,MEMS振蕩器還提供SMD和CSP尺寸(來(lái)源:SiTime)

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

MEMS振蕩器性能

早期的MEMS諧振器不夠穩(wěn)定,無(wú)法用作定時(shí)參考,但是電流發(fā)生器件可以實(shí)現(xiàn)低至±5ppm的穩(wěn)定性.對(duì)于便攜式應(yīng)用,低功耗器件可以達(dá)到±20ppm的頻率容差和±100ppm的穩(wěn)定性.

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

MEMS振蕩器產(chǎn)品的例子

一些制造商提供低功耗MEMS振蕩器和支持產(chǎn)品.例如,SiTime晶振的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振蕩器,專(zhuān)為移動(dòng)和其他電池供電應(yīng)用而優(yōu)化.SiT1533的最大工作電流僅為1.4μA,與使用推薦布局時(shí)的現(xiàn)有2012XTAL引腳兼容且占位面積兼容.該器件的工廠(chǎng)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(jí)電容器作為備用電池的移動(dòng)應(yīng)用.

在DSC1001從Microchip的是基于MEMS的振蕩器提供優(yōu)異的抖動(dòng)和穩(wěn)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(dá)-40ºC至105ºC.

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

使用MEMS振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)

為了與高頻時(shí)鐘32.768K器件保持一致,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(xiàn)長(zhǎng)度,注意布線(xiàn),限制過(guò)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(gè)方面提供幫助:

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)生很大的需求,電壓可能會(huì)下降.靠近電源的去耦電容可以充當(dāng)本地儲(chǔ)存器,以確保始終有足夠的電荷.

旁路:為了限制通過(guò)系統(tǒng)傳播的噪聲量,需要旁路電容來(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,電源電壓和功率回路之間的單個(gè)0.1μF電容會(huì)將大部分電源噪聲分流到地.為了降低噪聲,設(shè)計(jì)人員可以實(shí)施RC或LC電源濾波策略.

減少EMI的選項(xiàng)

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

在一個(gè)設(shè)備中生成的信號(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,屏蔽和良好的布局實(shí)踐可能會(huì)限制EMI,但會(huì)增加成本并消耗電路板空間.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(rèn)證,該認(rèn)證使用特定帶寬內(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,從而改變輸出的中心頻率.頻率擴(kuò)展量可由用戶(hù)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(jié)論

MEMS振蕩器提供低功耗,小尺寸,高性能和物理穩(wěn)健性的有吸引力的組合,使其成為眾多應(yīng)用的理想選擇,特別是在便攜式和可穿戴電子產(chǎn)品中. 他們利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(xù)提高,確保他們將繼續(xù)進(jìn)入傳統(tǒng)上保留用于石英晶體和陶瓷諧振器的應(yīng)用.

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