【技术详解】MEMS精准时钟方案：5G通信设备案例

由于毫米波频范围较短，小型基地台将在5G服务推出时扮演重要角色，而在轨道交通、风电、工程车辆等户外5G通信应用需求也将快速增长。其中最明显的因素包括直接暴露在各种气候下，例如极端温度和快速的温度变化，还有火车、风、重型车辆等所引发的振动瞬态。5G应用需要先进的MEMS振荡器技术，来提供精淮时钟和快速时钟恢复，保证通信稳定，减少漏传误传。

以小型基地站为例，由于行动服务需求毫无衰退迹象且频宽增加，持续带动都会环境中网路密致化(densification)的相关需求。而小型基地台(small cell)的建置，正有助于解决这类快速成长的需求。正如名称所示，小型基地台是一种尺寸较小的低功耗基地台，输出功率在0.2W到10W之间，覆盖范围从几十公尺到2公里远。根据小型基地台论坛(Small Cell Forum)统计，截至2016年五月全球已部署1,400万个小型基地台，2017年出货量可望超过500万台，其中又由中国移动打头阵，预料投标量将达到100万台。

MEMS振荡器技术的演化

过去75年以来，电子业一直使用石英振荡器来满足精确度需求在百万分之一水准的应用，它有一些与生俱来的缺点但还是很好用。因为石英有其缺点，加上硅生产架构的规模经济较大，全硅制造的MEMS时脉装置已开始取代石英振荡器。2006年全球首款MEMS振荡器问世，不但在防撞与防震方面展现了卓越效能，特定温度下也不会突然出现跳频现象（频率扰动和微弱跳动）。MEMS振荡器推出至今技术已大幅提升，温度补偿与锁相回路(PLL)均有所提升以减少抖动及相位噪音。

现今市面上的MEMS振荡器，例如SiTime Elite Platform™系列产品，都是多年来技术不断精进与投入大笔资金所获得的成果。最新的MEMS时脉技术不但能提供低噪音／低抖动时脉，对撞击、振动、气流与快速温度瞬态等环境压力也具有无敌的复原力。这样的效能，可让各种应用更加可靠、效能更高，其中当然也包括小型基地台。

MEMS可靠度

在MEMS谐振器的设计方面，设计人员可以完全掌控谐振器的侧向形状，藉此控制谐振模式。MEMS谐振器的设计，主要是为了避免寄生波模(spurious mode)穿过主要模态(fundamental mode)，这样谐振器才不会造成频率扰动。

MEMS的结构里包含了一个纯硅的单一机械结构。抗拉强度为7 GPa，是钛(330-500 MPs)的14倍。振动时振谐器在两个侧边之间移动，幅度不到间隙长度的1%。需要1百万g以上的加速度才能让振谐器触碰到侧边，这里的1 g = 9.8公尺／平方秒，也就是海平面上的重力加速度。

在MEMS的制造过程中，会使用Epi-Seal™制程来清洁振谐器，同时将其完全密封在真空中，藉此消除老化机制。这种制程是MEMS振荡器之所以可以达成极高可靠度的基础。MEMS振荡器累积出货量已超过6.25亿个，因为MEMS振谐器所造成的现场故障率(field failure)却等于零。从图1可以看出MEMS振谐器比石英产品更具可靠度优势，每百万中不良品数量(DPPM)比一级石英供应商少30倍。

图1：比较MEMS振荡器与一级、二级石英供应商的每百万中不良品数量(DPPM)

对任何一种设计来说，可靠度都是一个重要的考量因素，对部署在户外的设备尤其重要。可靠度更高，不但能提升服务品质，也可降低维护成本与整体拥有成本(TCO)。

震动效能

MEMS振荡器更能抵抗撞击、震动等各种环境压力。振谐器的质量比石英振谐器大约低了1,000到3,000倍。这意味当MEMS结构承受衝击或震动等各种不同程度的加速度时，所造成力道会远低于同等级石英装置，所产生的频率位移也会更低。图2比较了MEMS振谐器与石英振谐器的结构与尺寸。

图2：比较石英与MEMS振荡器的结构

图3则比较了MEMS Super-TCXO（温度补偿振荡器）以及同等级产品中最高阶的石英TCXO的相位噪音，从中可看出MEMS结构的好处之一。随机振动级数为7.5g均方根(rms)，频段为15 Hz到2 kHz。在这样的振动频段下，MEMS TCXO的相位噪音低了大约20倍，对于必须面临这类环境压力的系统来说是很大的优势。在有振动压力的情况下还能维持良好的相位噪音效能，对于小型基地台来说是非常重要的，这样才能消除通话中断的情况，维持高资料传输量。

图3：随机振动下的相位噪音，输出频率为20 MHz

另一个测量震动敏感度的单位，就是外加每单位g正弦波加速度时所产生的频率位移。最常用的单位是每单位g加速度所产生的十亿分之一(ppb)频率位移，也就是ppb/g。下图4比较了MEMS TCXO振荡器与四种不同石英TXCO的正弦波震动敏感度。如图所示，MEMS的震动敏感度低了15到150倍，随振动频率而有所不同。

图4：4g加速度下的震动敏感度(ppb/g)(MEMS振荡器=SiT5376)

DualMEMS振荡器技术

从初代产品开发至今，防振性与可靠度一直是MEMS振荡器固有的优势。近年来各种科技进展，尤其是採用SiTime Elite Platform MEMS振荡器系列产品的双MEMS架构，都让MEMS振荡器具备更多优势，像是面对温度变化及低相位噪音时的复原能力。在以数字说明这些优点之前，为协助读者了解，我们将概略介绍Elite Platform技术与架构，并解释这些优点如何形成。

图5为DualMEMS™振荡器架构图解。图左是谐振器和温度感测器，其中包含两个MEMS。其中一个振谐器用来当作温度感测器，利用其频率相对于温度斜率达-7 ppm/C，属于相对陡峭但呈线性的特性。这个振谐器名为TempSense振谐器。另一个振谐器则能为下游锁相回路提供参考时脉，是为了让频率相对于温度斜率相对平稳而设计，名为TempFlat™振谐器。TempFlat (TF)和TempSense (TS)两种振谐器频率比能准确提供振谐器温度的读数，温度分辨率达30-µK。另一大特色则是TF与TS振谐器之间紧密的热藕合传导，这是因为它们间隔仅100微米(micron)而且位于同一个基板上。这样的结构让TF与TS振谐器之间几乎没有热延迟的问题。模拟实验结果显示，出现热流时TF与TS振谐器的温度偏置只有52 milliKelvin (m°K)。

图5：Elite Platform DualMEMS图解

相较之下，石英TCXO的温度感测器则是整合到IC晶片上，如图6所示，在陶瓷封装基板上它是位于石英振谐器的下方。温度感测器与石英振荡器结构里振谐器的间隔，造成两个零件之间的热延迟，因此在急速热瞬态下会造成极大的频率误差。稍后我们将以量化数据探讨石英与MEMS产品对急速热瞬态的反应。

图6：比较MEMS振荡器与石英振荡器的结构

温度补偿架构另一个重要的元素就是温度至数位转换器(TDC)。如图7所示，这种电路板所产生的输出频率，和TF振谐器及TS振谐器所产生频率的比率成正比。温度至数位转换器的温度分辨率为30 micro-Kelvin (µ°K)，频宽最高达350 Hz。拜这些特色之赐，就能达到接近电信级的优异相位噪音效能与艾伦偏差效能。艾伦偏差可用来测量低频抖动和漂移（艾伦偏差<10-10，1秒平均时间）。更精确来讲，艾伦偏差是一种二样本偏差，专门针对持续测量的分频值。它能把特定时间间隔（称为平均时间）下平均频率的改变加以量化(tau)，而且能以图表的形式呈现，或做成对比于平均时间的线图。对于应用在网路连线的TCXO，优秀的艾伦偏差效能特别重要。

温度至数位转换器频宽较高，加上TF与TS振谐器之间紧密的热藕合传导，让TCXO在面临快速温度瞬态时，频率误差可以达到最低水准。

图7：温度至数位转换器

快速热瞬态下的频率响应

从图8的影片屏幕截图，可以看出DualMEMS架构在快速热瞬态下的优点。截图当时是以一具热风器同时对准两个装置：包括一个Elite MEMS Super-TCXO和一个由顶级石英厂商所生产的±50 ppb电信级TCXO。受到热风器的刺激，石英TCXO的反应是标称温度出现最高450 ppb的偏差，为产品规格的九倍。MEMS Super-TXCO则几乎没有出现频率的变化，且远远低于100 ppb的规格极限。快速温度瞬态下的复原能力，对于小型基地台的效能，还有环境状况快速变化下的服务品质来说都十分重要。

图8：以屏幕截图比较温度快速上升时±50 ppb电信级石英TCXO与MEMS Super-TCXO的表现

请观赏完整影片示范，比较两者在面临敲击、振动、气流等额外压力时有何反应。完整视频链接为：https://www.youtube.com/watch?v=pHdTrxkfoLE&t=34s

锁相回路效能

分数锁相回路(fractional-N PLL)是另一个关键架构元素。锁相回路乘以TF振谐器的参考时脉，加上输出分离器，就能产生期望的输出频率。锁相回路，还有温度至数位转换器，对振荡器输出的整体相位噪音来说非常重要。锁相回路是针对高品质因数(Q)的电压控制式振荡器所设计，以便将可能会显示为输出杂波的相位噪音和晶载串音减至最低。锁相回路里的分数式反馈分离器，利用了三角波调变的技巧来提供非常细微的频率解析度，此外还利用噪音整型技术，将相关频段里的杂波和随机噪音减至最少。

气流

气流是另一种会造成频率改变的系统压力源，对户外小型基地台是一种潜在的压力因素。热气流出振荡器时所产生的热流变化，可能导致核心温度变化。又快又强的气流，对于从振荡器流向四周环境的热流影响甚至更大，在一些比较极端的案例中，甚至可能造成振动效果。图9以图表呈现气流平均时间为1到1,000秒时艾伦偏差(ADEV)的变化。如图所示，当平均时间在1到10秒间，MEMS振荡器的艾伦偏差效能最高可提升38倍。

图9：比较MEMS与石英振荡器遭遇气流时的艾伦偏差

艾伦偏差是测量频率稳定性的时域单位。相较于标准差(standard deviation)，它的主要优点在于能和大部分类型的噪音融合，因此被广泛利用在振荡器频率稳定性的特徵化。良好的艾伦偏差效能，对于电信等级TCXO以及Elite Platform MEMS振荡器在此一效能度量上是否能够胜出一事，尤其重要。

电源供应噪音排除

除了震动、环境温度变化与气流改变等外部环境压力，内部系统也常存在压力。举例来说，电源供应噪音可能来自邻近资料传输线与交换调整器的串音。对振荡器来说很重要的一件事，就是当电源接脚出现噪音时还能维持良好的相位噪音及抖动效能，如此一来才能维持优越的系统效能。电源供应噪音排除是测量振荡器遇到电源供应噪音时复原能力的一种工具，其实就是以皮秒为单位输出时所观察到的抖动，除以电源接脚上注入抖动的振幅（以毫伏特为单位）。一般来说，注入电源接脚的正弦抖动振幅为50 毫伏特(mV)。图10比较了MEMS振荡器与6家不同石英厂商所生产的振荡器，在20 kHz到 40 MHz噪音范围下的峰间抖动结果。

图10：比较MEMS与石英振荡器的电源供应噪音排除效能

如图中所示，MEMS振荡器在电源供应噪音排除上的表现较佳。MEMS装置能展现低抖动特性，是因为採用了好几个晶载低压差线性稳压器(LDO)，能将压控振荡器、MEMS振荡器等重要元件隔离开来。

解决户外小型基地台在时脉方面的挑战

过去10年来MEMS振荡器技术已有长足进步。这些进展包含构成高效能振荡器的各种关键要素：振谐器、温度补偿电路设计、锁相回路，以及用来过滤噪音的晶载电压调节器。除了固有的防撞击、防震优势，最先进的MEMS时脉技术还能提供同等级产品中最佳的动态效能（面对系统与环境压力的复原能力），因此很适合用来解决部署户外小型基地台时会遭遇到的问题。图11简介了现有MEMS振荡器相较于石英振荡器的优势。

图11：比较MEMS振荡器与石英振荡器的优势

在可预见的未来里，将有更多资金投入MEMS振荡器技术的精进，最终目的是提升相位噪音与频率稳定度，让MEMS时脉成为未来数十年最佳的解决方案选项。