原创 别了，石英晶振

　　一、什么是MEMS硅晶振？

　　频率信号对于所有电子产品就像是心跳对所有动物的生命一般重要，所有电子电路的动作都以此重复性且稳定的频率信号作为参考信号源。设计优良的频率信号，几乎是系统是否能够达到高效能、持续性稳定工作的重要基础。一般而言，系统设计的参考频率信号可由不同的频率组件来产生，如谐振器（crystal）、振荡器（Oscillator）以及频率产生器（Clock Generator），不同的系统设计会根据不同的设计考虑，选择不同的组件来提供参考频率。

　　时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。在过去 60 年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。而石英产品在温漂、老化、抗震性、稳定性、体积等方面的制约，也越来越不能适应现在电子高精度、高性能、小体积、超薄的发展。而SiTime公司推出的MEMS硅晶振，则采用自然界最用普通的硅做为原材料和全自动化的半导体IC技术的制作工艺。不仅在性能方面弥补了石英振荡器的先天缺陷，而且由于采用硅为原材料，在低成本方面也成为了可能。

　　SiTime MEMS硅晶振采用全硅的MEMS技术，由两个芯片堆栈起来（如下图所示），下方是CMOS PLL驱动芯片，上方则是MEMS谐振器，以标准QFN IC封装方式完成。封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英振荡器的脚位完全兼容，可直接替代原来石英产品，无须更改任何设计。SiTime MEMS硅晶振具有无温飘、稳定性高、低成本等优势，从本质上克服了石英的诸多缺点，更符合现代电子的发展方向。

　　1、全温式无温漂

　　SiTime MEMS硅晶振与传统石英产品不同，无论输出为何种频率，均使用同一个MEMS谐振器。输出频率并不是使用不同的MEMS谐振器来达成频率的变化，而是根据编程并储存在内部非挥发性内存（Non- Volatile Memory；NVM）的数值，与MEMS谐振器的输出频率相乘倍数后而决定。

　　除此之外，SiTime MEMS硅晶振的工作电压、精度、温度等参数，均可通过专用的编程器烧制。下图显示的是一个工作频率稳定度为25PPM的MEMS硅晶振输出特性曲线。

　　横坐标为工作温度范围，纵坐标为频率稳定度。三条黑色的曲线是我们任取三颗同标称的石英产品测得的，而彩色线部分是我们任取110片SiTime MEMS硅晶振测得的。我们不难看出，SiTime MEMS硅晶振有着更为稳定的频率输出。而且同标称的产品，设计余量也大大优于石英。

　　2、低抖动

              抖动是对震荡器在短期内频率稳定性的一种描述。下图则表示了SiTime MEMS硅晶振的原理框图。

　　传统石英可编程振荡器内部使用环震荡锁相环（Ring Oscillator PLL）作为其倍频电路的设计。这样的设计容易造成输出具高抖动（jitter）特性的频率信号，因此这类振荡器仅适合精准度无须太高的应用。SiTime MEMS硅晶振在架构设计上采用所谓Sigma-Delta Fran-N PLL锁相环作为倍频电路，此电路设计能够将MEMS谐振器的输出频率任意倍频到所需的频率，频率信号的抖动特性与一般石英振荡器相较则更佳。

　　3、低功耗

　　SiTime MEMS硅晶振具有业界最低功耗的振荡器，实际工作电流仅为3.2MA，静态工作电流最低仅为0.4微安。值得说明的是，SiTime MEMS硅晶振的1脚，除了作为编程脚之外还有OE/ST两种工作模可选。在OE模式下，通过对1脚的控制，可以使振荡器的输出被禁止（但内部谐振器依然工作）；而ST模式下，通过对1脚的控制，则可以停止内部谐振器的振动，而且启动时间仅为0.4mS.

 

 　　4、高稳定性

　　集成电路的稳定性一般是用平均无故障时间（Mean Time Between Failure；MTBF）作为衡量标准，该标准的衡量单位为小时，数字越高表示产品越可靠。一般半导体产品的典型数值约为5亿小时MTBF，即便是一线大厂的石英振荡器产品，其MTBF值也仅仅是三千万小时。由下图我们可以看出，SiTime MEMS硅晶振可提升产品的稳定性为原来的10倍以上。

  5、可有效降低EMI

　　EMI一直以来是设计研发中的一大关键，所有的产品都要过EMI测试。而一般这种测试会在产品研发完成时才会进行，而如果要降低EMI只有通过更改电路设计来完成。这无疑是一件费时费力的工作。SiTime MEMS硅晶振的展频时脉产品，内部通过展频技术，最高可降低16DB的EMI干扰。下图为普通振荡器的频谱特性与SiTime MEMS硅晶振展频产品的频谱特性。

  6、24-48小时样品周期、3-5周量产供货周期。

　　由于石英的制造工艺复杂，不同的频点需研磨不同的石英晶片，再加上振荡器的型号繁多。因此石英振荡器生产厂商根本不可能对所有频点都有备货，如果有客户需求，只有重新生产或别处调货。重新生产则意味着8-10周的供货周期；别处调货则意味着质量的风险。

　　SiTime MEMS硅晶振因其可编程性，则有可能会备大量空白样品，只需针对客户需求编程老化即可；或者重新生产，因采用全自动化流程，工艺简单，也仅需2-4周就可交货。

  7、高性价比

　　因SiTime MEMS硅晶振采用半导体常用的硅为原材料，并且生产工艺上采用全自动化。从而节省了大量的人力物力，使低成本成为可能性。目前SiTime MEMS硅晶振拥有石英振荡器所无法比拟的高性价比，50MHZ SiTime MEMS硅晶振10K报价仅为$0.4。此外，SiTime公司已成为全球最大的MEMS时脉领导厂商，不仅拥有世界上最全的MEMS时脉产品，而且新产品的研发速度也越来越快。随着200%市场份额的不断增长，SiTime对亚洲区客户的样品、小批量等支持也越来越完善，相信在不久的将来SiTime MEMS硅晶振将全面替代石英产品，将时钟组件全面硅化！

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