MEMS振荡器取得进展

便携式和可穿戴电子产品的增长推动了降低包括振荡器在内的所有类型电子元件的能耗和占地面积的需求.手机,计算机,收音机,手表和许多其他设备依赖于它们在电子振荡器上的成功,该电子振荡器产生具有精确频率的输出以产生定时脉冲并同步事件.基于微机电系统(MEMS)技术的振荡器将精确的频率生成与低功耗相结合,并且在时钟电路中变得越来越流行.本文深圳康比电子将介绍MEMS技术,MEMS振荡器以及为什么它们在便携式和非便携式应用中取代更传统的解决方案.

传统振荡器类型概述

在MEMS器件出现之前,设计人员使用了几种方法来生成时钟信号,具体取决于应用要求.

成本最低的选项是RC振荡器,它使用无源元件网络和放大器,利用正反馈产生振荡信号.例如,相移振荡器使用三个级联RC部分,累积相移为180°.当添加到运算放大器周围的反馈回路时,会产生正反馈,从而产生振荡输出.

集成硅振荡器使用类似的电路,但所有组件都在一个芯片上,从而提供更精确的操作和更高的温度性能.硅振荡器可选择工厂编程的工作频率.例如,MaximIntegrated的MAX7375可在出厂时调整为600kHz至9.99MHz,初始精度为2％,温度漂移为±50ppm/°C.

对于精密应用,传统解决方案是基于振动石英晶振的电路.它是一种压电器件;当在其上施加电压时,其表现得像具有精确谐振频率的RLC电路.陶瓷谐振器使用类似的工作原理,但其振动元件由诸如锆钛酸铅(PZT)的陶瓷材料制成.

为了制作振荡器,晶体或谐振器与模拟电路相结合,以共振频率驱动它.许多嵌入式处理器都包含内部电路,可以轻松容纳任何类型的设备.或者,石英晶体振荡器模块将晶体和支持电路组合成单个封装.

表1比较了这些不同的选项.

表1:传统振荡器选项的比较(来源:Maxim)

MEMS技术和MEMS振荡器

MEMS技术使用标准的半导体制造工艺,例如光刻,沉积和蚀刻,以生产尺寸从小于1微米到几毫米的微型电子机械元件.

西屋公司的HarveyNathanson于1965年发明了第一台MEMS器件,作为微电子无线电调谐器.在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应用,推动了广泛的发展,并有助于降低MEMS技术的成本.

MEMS谐振器是一种小型结构(0.1mm或更小),设计用于在静电激励下以高频振动.在制造可编程晶振期间,首先在绝缘体上硅(SOI)层中蚀刻谐振器结构.然后通过用氧化物填充沟槽来平坦化晶片表面.接下来,形成接触孔以允许进行电连接.最后,用氢氟酸除去氧化物,以产生具有振动能力的独立式谐振器梁

图1:根据所需频率,MEMS谐振器具有不同的尺寸和形状(来源:SiTime)

MEMS谐振器的谐振频率与其大小成反比,并且可以使用kHz和MHz频率谐振器.kHz范围内的谐振器针对低功耗进行了优化.它们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.具有MHz频率的谐振器为串行和并行通信提供精确的参考,其中数据传输速度至关重要.

如图2所示,MEMS振荡器结合了MEMS谐振器芯片和可编程振荡器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进入机械振荡.两个裸片以堆叠裸片或倒装芯片配置安装在一起,并以标准或芯片级封装包装.

图2:MEMS振荡器在单个封装中包括谐振器和单独的振荡器管芯.精密应用通常需要集成温度补偿.(来源:SiTime)

输出频率由分数N锁相环(PLL)模块设置,该模块产生的输出信号是MEMS谐振器频率的倍数(N).片上一次性可编程(OTP)存储器存储配置参数.许多器件还包括具有可配置驱动强度的输出驱动器,用于阻抗匹配或减少排放.

对于精密定时应用,MEMS荡器通常包括通过片上温度传感器进行温度补偿.

MEMS封装

与其他半导体器件一样,MEMS振荡器也有多种封装形式.对于希望在现有设计中取代石英振荡器的设计人员而言,MEMS振荡器采用兼容的2.0x1.2mm(2012晶振)SMD封装.由于MEMS振荡器需要两个额外的电源和接地引脚,因此它们位于现有的SMD端盖之间,如图3所示.

图3:除传统半导体封装外,MEMS振荡器还提供SMD和CSP尺寸(来源:SiTime)

此外,MEMS振荡器可以使用芯片级封装(CSP)技术与诸如ASIC或微控制器的另一设备组合成单个封装.

MEMS振荡器性能

早期的MEMS谐振器不够稳定,无法用作定时参考,但是电流发生器件可以实现低至±5ppm的稳定性.对于便携式应用,低功耗器件可以达到±20ppm的频率容差和±100ppm的稳定性.

半导体封装的使用允许MEMS振荡器承受高水平的冲击和振动,这在便携式和可穿戴设备(例如数码相机,手机和手表)中特别有价值,这些设备总是易于掉落.

MEMS振荡器产品的例子

一些制造商提供低功耗MEMS振荡器和支持产品.例如,SiTime晶振的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振荡器,专为移动和其他电池供电应用而优化.SiT1533的最大工作电流仅为1.4μA,与使用推荐布局时的现有2012XTAL引脚兼容且占位面积兼容.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压纽扣电池或超级电容器作为备用电池的移动应用.

在DSC1001从Microchip的是基于MEMS的振荡器提供优异的抖动和稳定性能低至10ppm的在宽范围的电源电压和温度.该器件工作频率范围为1MHz至150MHz,电源电压范围为1.8至3.3VDC,温度范围高达-40ºC至105ºC.

MEMS振荡器可在极宽的频率范围内使用.该ABRACONASTMK-0.001kHz,例如,可以打倒20ppm的耐受性,同时消耗1.4μA操作,以1Hz的.另一方面,IDT的4H系列超低抖动MEMS振荡器可以工作在625MHz.

使用MEMS振荡器进行设计

为了与高频时钟32.768K器件保持一致,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.

此外,正确使用电容器可以在以下几个方面提供帮助:

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需求,电压可能会下降.靠近电源的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:为了限制通过系统传播的噪声量,需要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,电源电压和功率回路之间的单个0.1μF电容会将大部分电源噪声分流到地.为了降低噪声,设计人员可以实施RC或LC电源滤波策略.

减少EMI的选项

随着处理器速度的提高以及更多设备被塞入更小的空间,确保设备之间的电磁兼容性(EMC)变得更加重要.

在一个设备中生成的信号可能会耦合到其他设备中,从而导致错误或故障.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,屏蔽和良好的布局实践可能会限制EMI,但会增加成本并消耗电路板空间.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.这种变化降低了基频和谐波频率中的峰值频谱能量.这种减少也有助于FCC认证,该认证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,从而改变输出的中心频率.频率扩展量可由用户选择;例如,改变98MHz和100MHz之间的输出频率可以使平均EMI降低13dB.

结论

MEMS振荡器提供低功耗,小尺寸,高性能和物理稳健性的有吸引力的组合,使其成为众多应用的理想选择,特别是在便携式和可穿戴电子产品中.他们利用标准半导体制造和封装方法的能力意味着他们的成本和性能将继续提高,确保他们将继续进入传统上保留用于石英晶体和陶瓷谐振器的应用.