数十年来，振荡器和时钟始终依靠石英晶体来产生稳定的参考频率。晶体在许多应用中表现出十分优异的性能。但十年前，使用MEMS谐振器代替石英晶振的MEMS振荡器和时钟进入了市场，并迅速受到广泛的关注。基于MEMS的时序器件兼具高可靠性、扩展工作温度、小体积和低功耗特性。
在2015年，Microchip通过收购Micrel获得了MEMS时钟技术，而Micrel在此之前已收购Discera。Discera在2008年交付了第一批MEMS振荡器成品，迄今为止已制造并销售了近1亿颗器件。本文将介绍基于MEMS的振荡器和时钟的汽车应用以及MEMS解决方案的优势。
汽车应用
基于MEMS的振荡器和时钟有三种主要应用。如图1所示，这三种应用分别是高级驾驶辅助系统（ADAS）、用户界面（包括信息娱乐和连接系统）以及处理变速箱和发动机控制的智能执行器。
图1：汽车应用中的MEMS振荡器和时钟
高级驾驶辅助系统
高级驾驶辅助系统（ADAS）能够提供先进的碰撞风险警报、提醒驾驶员并可在某些情况下控制车辆，从而达到提高安全性的目的。该系统将采用包括物体识别和跟踪在内的计算机视觉技术，并在车身上配备摄像头、激光雷达（LiDAR）系统和雷达等多种传感器。此外，还可通过无线电从其他车辆和连接互联网的数据源接收数据。
图2所示为ADAS LiDAR模块。FPGA提供信号生成和系统控制功能。FPGA产生的脉冲将被放大并发送到激光器。Microchip高速ADC随后将检测接收到的反射光并将其数字化，然后数据将被发送到第二个FPGA图像处理器。处理器将进行检测并向车载网络发送碰撞警报。
图2：ADAS LiDAR模块
DSC400 MEMS时钟可驱动高速ADC和FPGA处理器。DSC400是一款符合AEC-100标准并具有低相位噪声的四输出时钟，非常适合高速FPGA。
图3展示了ADAS长距离雷达系统。DSP产生的脉冲波形在射频基带单元中被转换为调制信号，以驱动77 GHz发射器（RF TX）。反之，基带单元将解调77 GHz接收器（RF RX）接收到的脉冲并交由DSP处理。具有CAN接口的Microchip 32位MCU负责提供全面的系统控制，Microchip电源管理IC负责调节车内电气系统的电源。
图3：ADAS长距离雷达系统
DSC2311是一款双输出MEMS时钟，具有与DSC400相似的低相位噪声，已通过AEC-Q100认证。
用户界面
用户界面类别包括车载娱乐（In-Car Entertainment，ICE）系统和车载信息娱乐（In-Vehicle Infotainment，IVI）系统。这两个系统提供音频和视频娱乐及驾驶员信息，例如导航。
图4展示了如何通过后视摄像头、车载WiFi和蓝牙、AM/FM无线电和CD/DVD驱动器接收数据流，然后传输到汽车应用处理器。处理器将解码输入流并将其转换为音频和视频。用户通过触摸面板选择信息娱乐菜单上的选项以进行通信，随后所请求的媒体将呈现在音频系统和显示器上。
图4：信息娱乐主机
DSC1001是符合AEC-Q100标准的低功耗振荡器，非常适合为单片机和微处理器提供时钟。在该系统中，DSC400的两路输出用于音频处理（12.288 MHz）以及与闪存之间的PCIe通信（100 MHz）。另外两路输出可用于其他外设。
变速箱控制单元
变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）是一种控制车辆自动变速箱的系统，通过处理来自多个传感器的输入来优化换档，从而改善发动机排放、燃油消耗、操控稳定性以及换档系统的可靠性。
图4给出了变速箱控制单元通过一个32位MCU处理多个传感器输入（例如轮速和节气门位置）的图示。输出数据通过放大器驱动电路发送到电磁阀，这些电磁阀用于控制变速箱，特别是换档和变矩器锁定。数据还通过车载网络进行交换，从而与其他传感器和驾驶员显示屏进行通信。
DSC1104是一款基于MEMS的单输出HCSL时钟，非常适合从处理器到存储器的各种PCIe事务。它符合PCIe Gen1、Gen2、Gen3和Gen4标准。
图5：变速器控制单元
MEMS解决方案的优势
Microchip基于MEMS的振荡器和时钟与传统石英解决方案相比具有诸多优势，其中包括稳定的频率、小尺寸、高可靠性、灵活性、多项可编程特性、快速有保障的启动功能以及高集成度。所有基于MEMS的振荡器和时钟均通过AEC-Q100认证或符合AEC-Q100标准。
表1：Microchip的MEMS振荡器和时钟优势
MEMS振荡器和时钟性能
频率稳定性
MEMS振荡器和时钟可以测量芯片温度，并以数字方式补偿MEMS谐振器的温度系数导致的任何频率变化，这样便可保证频率的稳定性，与传统石英XO的S曲线形成了鲜明的对比。图6显示了小于10 ppm的频率偏差。
图6：MEMS振荡器与其它石英晶体振荡器的频率稳定性对比
老化情况
图7给出了16颗MEMS振荡器DSC60xx样品在经过1000小时加速老化（+85°C）后的情况。频率偏差最大为2.5 ppm；在+85°C下老化1000小时与在室温（+25°C）下运行大约12年的结果相当。
图7：16颗MEMS振荡器DSC60xx在+85°C下的老化情况
小结
Microchip的MEMS振荡器和时钟凭借高可靠性、频率稳定性和更大的工作温度范围而成为汽车应用的理想选择。这些产品均经过AEC-Q100认证或符合AEC-Q100标准。
