与传统振荡器相比，MEMS振荡器究竟有哪些优势呢？

简介

手机、计算机、收音机、手表和许多其他设备的成功都离不开电子振荡器。振荡器可生成精确稳定的输出频率，进而产生定时脉冲并同步事件。

便携式和可穿戴电子产品的兴起，推动了降低包括振荡器在内的各类电子元件的能耗和占地面积的需求。基于微机电系统（MEMS）技术的振荡器将精确的输出频率和低功耗相结合，在时钟电路中被广泛采纳。

本文将介绍MEMS技术、MEMS振荡器以及它们为什么能在便携式和非便携式应用中取代传统的解决方案。

传统振荡器类型概述

在MEMS器件出现之前，设计人员会根据应用的具体需求，通过多种方法来生成时钟信号。

成本最低的选择是RC振荡器，它使用无源元件网络和放大器，通过正反馈电路产生振荡信号。例如，相移振荡器使用三个累积相移为180°的级联RC，在添加到运放周围的反馈回路时，会产生正反馈，从而产生振荡输出。

集成硅振荡器也采用了类似的电路，但所有的元件都集成在一个芯片上，也可以提供更精确的操作和更高的温度性。硅振荡器可在出厂前预置工作频率。例如，Maxim Integrated MAX7375出厂时的预置工作频率为600 kHz至9.99 MHz，并具有2%的初始精度和±50ppm/°C温漂。

对于精密应用，传统的解决方案是采用基于振荡石英晶体的电路。这是一种压电器件；当对其施加电压时，就可以将它看作是一个具有精确谐振频率的RLC电路。陶瓷谐振器采用类似的工作原理，但其振动元件由钛酸铅锆（PZT）等陶瓷材料制成。

为了制作振荡器，需要将晶体或谐振器与以共振频率驱动的模拟电路结合起来。许多嵌入式处理器都有内部电路，可以轻松容纳任何类型的器件。晶振模块也可以将晶体和支持电路封装在一起。

表1对各种传统振荡器进行了对比。


表1: 传统振荡器对比（来源：Maxim）

MEMS技术与振荡器

MEMS技术采用光刻、沉积和蚀刻等标准半导体制造工艺，生产出从小于1微米到几毫米不等的微型机电元件。

1965年，美国西屋电气公司的哈维·纳森森发明了第一款MEMS器件，这是一种用于微电子固态无线电的微型机械调谐器。20世纪90年代，MEMS压力传感器和加速度计开始广泛应用于汽车安全气囊和医用呼吸器等领域，推动了MEMS技术的蓬勃发展，并降低了MEMS技术成本。

MEMS谐振器结构小巧（0.1mm或更小），用于在静电激励下以高频振动。制造时，首先在绝缘体上的硅（SOI）层中蚀刻谐振器结构，然后通过用氧化物填充沟槽来对晶体表面进行平坦处理。接下来，形成接触孔，以便进行电气连接。最后，用氢氟酸除去氧化物，以产生具有振动能力的独立谐振器梁。


图1：根据所需频率不同，MEMS谐振器的尺寸和形状也会有所不同（来源：SiTime）

MEMS谐振器的谐振频率与其尺寸成反比，现有kHz和MHz频率供选择。kHz级谐振器针对低功耗进行了优化，通常用于实时时钟等计时应用，或为电源管理系统提供睡眠和唤醒功能。MHz级谐振器用于为对数据传输速度要求极高的串行和并行通信提供精确的参考。

如图2所示，MEMS振荡器结合了MEMS谐振器裸片和可编程振荡器IC；谐振器由模拟振荡器IC上的电路块驱动。谐振器维持电路驱动谐振器产生机械振荡。两个裸片以堆叠裸片或倒装芯片的方式安装在一起，并以标准或芯片级封装形式封装起来。


图2: MEMS振荡器在单个封装中集成了谐振器和单独的振荡器裸片。对于精密应用，通常需要集成温度补偿 。（来源：SiTime）

输出频率通过N分频锁相环 (PLL) 模块进行设置，该模块产生的输出信号是MEMS谐振器频率的N分频。片上一次性可编程 (OTP) 存储器用于存储配置参数。许多器件还具备可配置驱动强度的输出驱动器，用于匹配阻抗或减少辐射。

对于精密定时应用，MEMS振荡器通常可通过片上温度传感器进行温度补偿。

MEMS封装形式

与其他半导体器件一样，MEMS振荡器有多种封装形式。对于正在寻找替代石英振荡器的设计者来说，采用兼容2×1.2mm（2012）SMD封装的MEMS振荡器绝对是一个很好的选择。但由于MEMS振荡器需要两个额外的电源和接地引脚，所以特意将这些引脚放置在现有SMD端盖之间，如图3所示。


图3: 除了传统半导体封装，MEMS振荡器还提供SMD和CSP两种封装形式 （来源：SiTime）

此外，利用芯片级封装 (CSP) 技术，MEMS振荡器可以与ASIC或微控制器等其它器件封装在一起。

MEMS振荡器性能

早期的MEMS谐振器不够稳定，不能用作定时基准，但目前的器件可以实现低至±5ppm的稳定性。对于便携式应用，低功耗器件还可实现±20ppm的频率容差和±100ppm的稳定性。

半导体封装的使用使MEMS振荡器能够承受高强度的冲击和振动，对于便携式和可穿戴设备（如数码相机、手机和手表）等容易掉落的设备，更是有着非凡的意义。

MEMS振荡器产品示例

一些制造商提供低功耗MEMS振荡器和支持产品。例如，SiTime的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振荡器，针对移动和其他电池供电应用进行了优化。SiT1533的最大工作电流仅为1.4μA，使用推荐布局时，与现有2012 XTAL引脚和封装兼容。该器件的工厂可编程输出可降低电压摆幅，从而将功耗降至最低。1.2V-3.63VDC的工作电压使其适用于采用低电压纽扣电池或超级电容器作为备用电池的移动应用。

Microchip的DSC1001是基于MEMS的振荡器，在广泛的电源电压和温度范围内具有出色的抗抖动性和低至10ppm的稳定性。该器件的工作频率范围为1MHz至150MHz,电源电压为1.8至3.3VDC，温度为-40oC至105oC。

MEMS振荡器可在极宽的频率范围内工作。例如，Abracon ASTMK-0.001kHz可以低至1Hz的频率运行，容差为20ppm，电流消耗为1.4μA。而IDT的 4H系列超低抖动MEMS振荡器却可以625MHz的频率运行。

使用MEMS振荡器进行设计

为了与高频时钟保持一致，设计人员应遵循最佳实践布局技术，例如限制走线长度、注意布线、限制过孔的使用以及使用接地层等等。

此外，正确使用电容器还可提供以下功能：

去耦：快速开关器件（如时钟振荡器）可能会对电源产生很大的影响，导致电压下降。靠近电源放置去耦电容可以充当本地储存器，以确保始终有足够的电荷。

旁路：为了限制系统传播的噪声量，需要通过旁路电容来提供低阻抗路径，将这种瞬态能量分流到地。

降低电源噪声：在大多数应用中，电源电压和电源回路会之间接入一个0.1 μF 电容，将大部分电源噪声分流到地。为了进一步降低噪声，设计人员还可以运用RC或LC电源滤波策略。

降低EMI的方法

随着处理器速度的提高以及在更小空间中容纳更多设备需求的增多，使电磁兼容性(EMC) 变得日益重要。

某个设备生成的信号可能会耦合到其他设备中，从而导致错误或发生故障。振荡器时钟通常是电磁干扰 (EMI) 的主要来源，因为它由具有高频谐波的重复方波组成，并且通常广泛分布在整个电路板上。

滤波、屏蔽和良好的布局可能会限制EMI，但会增加成本并占用电路板空间。另一种方法是通过随时间缓慢调制时钟频率来减少时钟产生的噪声，这种方法降低了基频和谐波频率中的峰值频谱能量，有助于进行FCC认证，这种认证方法使用特定带宽内的峰值功率来确定EMI。

可编程扩频MEMS振荡器（如SiT9003）通过用32kHz三角波调制其PLL来降低EMI，从而改变输出中心频率。扩频量可由用户选择；例如，在98MHz到100MHz之间调节输出频率可以使平均EMI降低13dB。

结论

MEMS振荡器拥有低功耗、小尺寸、高性能和物理稳健性等诸多出色的性能，成为了众多应用的理想选择，特别是便携式和可穿戴电子产品。

利用标准半导体制造和封装方法的能力意味着，MEMS振荡器的成本和性能将继续得以优化，进而占领传统上采用石英晶体和陶瓷谐振器的应用市场。


文章来源：贸泽电子

作者简介：作为一名自由技术撰稿人，Paul Pickering写过很多文章，涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网（IoT）、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验，对汽车电子、精密模拟器件、功率半导体、嵌入式系统、逻辑器件、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他还熟练掌握了数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术。Paul出生于英格兰东北部，曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院的物理与电子学士学位，并在塔尔萨大学攻读了研究生。