替代石英方案,全硅MEMS时钟向高端应用渗透

频率控制器件可谓是电子系统的心脏，过去数十年，石英振荡器在频率市场中一直占据主导地位。随着业界对频率控制器件精准性以及降低基础时钟成本的需求攀升，该产业格局发生变化，逐渐趋向于半导体产业发展模式，一方面器件成本日益下降；另一方面器件集成度和性能要求不断提升，包括精度、稳定性和抗震防抖动等。此外，日益小型化的电子设备也需要体积更小的器件来匹配。今天，电子系统设计人员需要具有低相噪、长期稳定性及更高抗震防抖性能且外形小巧的振荡器产品。而器件供应商也正面临前所未有的压力，他们需要提供性能更强的时钟方案，同时还要满足更高的集成度和更快的反应时间要求。

拜创新技术所赐，全硅MEMS振荡器开始成为传统石英振荡器的替代方案。基于全硅工艺的MEMS振荡器完全按照半导体IC的制造工艺生产，可以采用成熟、稳定的半导体工艺，因此质量稳定性更高。此外，MEMS振荡器内部设计也在不断优化，利用MEMS谐振器达到输出频率的变化效能。“传统石英可编程振荡器内部使用环振荡锁相环作为倍频电路的设计，这样的设计容易导致输出高抖动特性的频率信号。”SiTime公司市场营销副总裁Piyush Sevalia指出，SiTime MEMS硅晶振在架构设计上采用Sigma-Delta Fran-N PLL锁相环作为倍频电路，能够将MEMS谐振器的输出频率任意倍频到所需的频率，与石英方案相比，频率信号的抖动特性更佳。

SiTime公司专注于提供全硅MEMS时钟方案，该公司的目标是实现全硅时钟技术在价值50亿美元时钟市场全面普及。目前SiTime在MEMS时钟市场占有85％份额，产品出货量达7500万套。包括针对平板电脑及电子书产品的时钟振荡器SiT8003系列，以及定位于高性能电信、储存和网络应用的MEMS差分振荡器SiT912x系列等。

据Sevalia介绍，SiTime MEMS振荡器采用标准QFN IC封装方式集成了两个芯片堆栈--模拟CMOS PLL驱动芯片和MEMS谐振器。“MEMS振荡器的封装尺寸及管脚与传统标准石英振荡器完全兼容，因而无需做任何设计改动就可直接替代石英产品。”Sevalia谈到，MEMS振荡器拥有OTP内存，可通过编程方式产生各种频率、工作电压和精确度等组合，具有传统石英振荡器无法比拟的灵活性。

在一些对参考时钟要求很高的应用市场，如智能电网、无线通信基站、基于SONET和同步以太网的核心及边缘路由器、IP时钟和仪器等，要求采用满足三级钟(Stratum 3)标准的时钟产品，即全温度范围稳定性必须在0.1-0.28PPM范围之内；24小时频率稳定性必须小于或等于0.37PPM；20年频率稳定性必须小于或等于4.6PPM。

为满足三级钟应用市场需求，SiTime最新推出SiT530x系列全硅MEMS三级钟解决方案，“SiT530x不仅可以完全替代传统的石英OCXO和TCXO，且性能指标更优。”Sevalia表示，“该系列是目前市场上唯一兼具三级钟稳定性、小尺寸、低电压运行和可编程特性的产品，可支持客户便捷地实现产品定制和差异化。”

SiT530x系列支持最宽的频率范围（1至220 MHz），精度达小数点后6位，可编程定制出任意频率；符合或超出面向最苛刻时钟应用的Telcordia GR-1244三级时钟频率稳定度规范，例如，在商业工作温度（0~70°C）下的频率稳定度为±0.1 PPM；采用2520兼容封装，是目前业界最小尺寸的±100 PPB解决方案；其介于2.5V和3.3V之间的运行电压支持所有电信和网络SoC和ASIC、FPGA，并可消除电平转换；平均故障时间(MTBF)达5亿小时，比石英产品高10倍。SiT530x系列包括两款器件，SiT5301运行频率范围为1~60 MHz；SiT5302运行频率范围为60~220 MHz。据悉，SiT530x样片于2011年12月向合格客户提供，计划2012年上半年开始量产。

目前SiTime的核心业务包括谐振器裸片和封装时钟产品，其中，硅MEMS谐振器裸片被销售给半导体公司；采用塑料封装的振荡器和时钟发生器则销售给OEM和ODM。“2012年，谐振器裸片业务有望获得大幅增长。”Sevalia表示，SiTime的MEMS振荡器可完全根据客户需求定制，并拥有业界最短的前置时间作为出货保证。2011年2月SiTime与艾睿电子签署了全球分销协议，共同推进全硅MEMS时钟解决方案在亚洲市场的应用进程。

图1：MEMS时钟具有最佳相位噪声，满足电信/网络等高端应用需求。

图2：MEMS和传统OCXO和TCXO三级钟方案对比。

本文来自《电子工程专辑》2012年1月刊，为本刊作者原创，谢绝转载。