MEMS定时器取代RF设计中的石英晶体

在非关键的低预算情况下，例如10美元的大众市场电子温度计，这个时钟可以由一个简单的电阻/电容（RC）振荡器制成。然而，对于绝大多数更为关键的情况，振荡器基于石英晶体（图1）。这是一种成熟（80年以上）且高效的技术，可支持从kHz到数百MHz的各种频率，性能从优秀到卓越，具体取决于晶体切割，制造，封装和其他考虑因素。

图1：古老的石英晶体（但不是整个振荡器）由标准原理图符号表示; b）等效电路从所示的简化模型开始，但随着工作频率的增加可能会变得更加复杂。

对射频应用中的定时功能的要求尤其具有挑战性，振荡器不仅仅是处理器的时钟，而且可以容忍一点点抖动。在RF中，它建立了数百MHz和GHz范围内的基本载波/信道调谐，以确保A/D和D/A转换器的正确时钟。

振荡器操作

晶体定时器件的结构和操作基于众所周知的压电原理，即电信号在晶体中产生应力，反之亦然：施加的应力使晶体产生微小的电压。通过使用微小的石板或石英坯料以及合适的电路，石英作为调谐谐振器，为整个电子系统提供精确间隔的时钟信号。

在基于MEMS的器件中，使用完全不同的方法。芯片核心处的蚀刻硅就像一个音叉，它以所需的频率谐振，而芯片上的额外电子电路则管理和放大这个时钟信号（图2）。

图2：MEMS振荡器技术使用蚀刻在硅片中的一种类似音叉的谐振器，以及支持电路。 （由SiTime提供）

MEMS优势和现实

基于石英晶体振荡器由多个部件组装而成，包括精心切割和抛光的石英毛坯，

基于MEMS的器件的其他优点包括：

最终器件比石英版小。这不仅可以节省宝贵的PC板空间，而且可以使定时器件更靠近它所支持的器件，以获得更好的信号完整性和降低EMI。

MEMS振荡器可以构建有源电路在芯片上，可用于补偿电路，改善性能与温度或电源轨的变化。它也可用于提供完整的振荡器功能，因为石英晶体和MEMS谐振器本身都不是完整的振荡器（尽管该术语通常以这种方式使用）;每个都需要一些相关的电路来驱动核心定时元件并调节/缩放输出。许多振荡器还需要PLL将基本振荡器频率乘以所需的载波频率，这也可以成为IC的一部分。

完整的MEMS振荡器内核，振荡器电路和接口功耗较低

RF设计人员非常谨慎，因为时序功能对系统性能至关重要。

虽然晶体有缺点和伪影，但这些相当不错了解。相比之下，MEMS器件的微妙之处和变幻莫测只是开始为RF设计人员所接受的前沿设计所知。

成本，当然：作为一种成熟的技术，晶体供应商已经设法带来了成本通过经验和数量来降低。虽然MEMS器件具有降低成本的潜力，但这必须根据具体情况进行评估。

图3：SiTime SiT8209提供极低的抖动，至关重要许多通信应用;图中显示的是当采用LVCMOS输出工作在3.3 V时，相位噪声为156.25 MHz。

Silicon Labs提供四个系列（Si501，Si502，Si503，Si504），其成员在额外功能方面有所不同，性能保证10年的频率稳定性，包括焊料偏移，负载牵引，电源变化，工作温度范围，振动和冲击;该供应商声称这是可比石英设备的10倍保证。这些单元提供32 kHz至100 MHz之间的任何频率，频率稳定性选项包括商用（-20°C至70°C）和工业（-40°C至85°C）温度范围内的±20，±30和±50 ppm。四引线器件（图4）可在+1.71 V至+3.63 V之间的任何电源轨上工作。

图4：Si501的成员Silicon Labs的/2/3/4系列具有相同的基本性能规格，但输出使能和频率选择等额外功能的可用性不同。

图5：Micrel的DSC单元是标准6引脚LVDS石英晶体振荡器的“直接”替代品;器件的不同之处仅在于使能使能控制引脚。

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