可編程 MEMS 振蕩器解決方案

　　對(duì)于消費(fèi)類、汽車、工業(yè)、醫(yī)療、通信、物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和企業(yè)等應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮眾多的時(shí)鐘定時(shí)要求和性能特點(diǎn)，特別是在需要傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)支持的情況下。其中包括精度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、系統(tǒng)噪聲、電磁干擾 （EMI）、功耗、輸出類型（差分或單端）以及各種擴(kuò)頻配置文件。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是在外形尺寸小、功耗低的情況下滿足各種要求。

　　同時(shí)，他們還必須將成本和交付期保持在最低水平，而這對(duì)定制配置來說又極為不易，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員仍需按批量訂購，并且可能會(huì)有三到五周、甚至更長的提前期。這些延遲會(huì)減緩原型設(shè)計(jì)和開發(fā)，以及最終產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度。

　　為了滿足對(duì)更靈活的高性能定時(shí)解決方案的需求，設(shè)計(jì)人員可以使用可編程微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 振蕩器代替?zhèn)鹘y(tǒng)晶體振蕩器。這些系統(tǒng)可滿足或超越質(zhì)量和性能要求，但采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，可按定制要求進(jìn)行調(diào)整。

　　本文簡要介紹可編程 MEMS 振蕩器及其主要元件。隨后，本文以 SiTime 器件為例，展示了如何選擇和使用這些器件來滿足各種應(yīng)用的定時(shí)要求，同時(shí)減少提前期和降低整體成本。

　　為什么使用可編程 MEMS 振蕩器？

　　在 2000 年代 MEMS 振蕩器出現(xiàn)之前，石英晶體諧振器在電路定時(shí)中占據(jù)主要地位。然而，由于快速創(chuàng)新以及硅工藝的運(yùn)用所推動(dòng)，MEMS 振蕩器成為強(qiáng)調(diào)質(zhì)量、可靠性和穩(wěn)健性的首選設(shè)計(jì)解決方案。雖然在許多應(yīng)用中石英振蕩器仍然是一個(gè)很好的低成本選擇，但與高度集成的可編程 MEMS 器件相比，其設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。例如，使用石英振蕩器的設(shè)計(jì)人員需要選擇正確的諧振器和負(fù)載電容器，以避免冷啟動(dòng)失效和晶體不匹配等問題，同時(shí)還要盡力最小化 EMI。

　　可編程 MEMS 器件的即插即用性可避免或極大減少這些復(fù)雜情況。另外，其制造工藝簡單、標(biāo)準(zhǔn)，尺寸小巧，具有內(nèi)在性能、可靠性和彈性特征。例如，使用大容量硅基 MEMS 制造工藝可最大限度地減少污染，從而降低每百萬零件不合格數(shù) （DPPM）。這樣一來，即可降低成本，但對(duì)設(shè)計(jì)人員來說同樣重要的是，該工藝可提高質(zhì)量和可靠性，提升平均無故障時(shí)間 （MTBF）。這可應(yīng)用于 -55?C 至 +125?C 的極端環(huán)境溫度。

　　在尺寸方面，MEMS 振蕩器的質(zhì)量很輕 — 標(biāo)準(zhǔn) 32 千赫茲 （kHz） MEMS 振蕩器采用芯片級(jí)封裝 （CSP） 交付，排針的大小意味著在沖擊和振動(dòng)時(shí)非常堅(jiān)固。另外，可編程 MEMS 振蕩器在諧振器和振蕩器電路之間沒有任何裸露的 PC 板連接，而且由于振蕩器電路針對(duì)電噪聲條件進(jìn)行了優(yōu)化，因此它們對(duì) EMI 的敏感度要低得多。其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)對(duì)電路板噪聲也不太敏感。

　　可編程 MEMS 振蕩器的元件

　　可編程 MEMS 器件含 MEMS 諧振器，并封裝有 CMOS IC。CMOS IC 包含模擬振蕩器控制和驅(qū)動(dòng)電路，可產(chǎn)生所需的時(shí)鐘 （CLK） 輸出（圖 1）。該電路通常包括小數(shù) N 分頻鎖相環(huán) （PLL） 和相關(guān)分頻器、驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓器和溫度補(bǔ)償，以及通過靜電激勵(lì)驅(qū)動(dòng) MEMS 諧振器的電路。圖 1 所示的一次性可編程 （OTP） 存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)可編程參數(shù)。

圖 1：MEMS 振蕩器的可編程性是由于封裝 MEMS 諧振器的 CMOS IC 中使用可配置模擬振蕩器電路，如左側(cè)所示（三種不同的類型，可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行選擇）。（圖片來源：SiTime）

　　石英晶體振蕩器根據(jù)所需 CLK 選擇或制造不同的零件，而可編程 MEMS 振蕩器是成批制造空白器件，可在現(xiàn)場按所需輸出頻率編程。除頻率外，其他可編程參數(shù)包括供電電壓、頻率穩(wěn)定性和上升/下降時(shí)間等（圖 2）。

圖 2：各種可編程 MEMS 定時(shí)選項(xiàng)為設(shè)計(jì)人員提供了靈活性，可高效且經(jīng)濟(jì)地滿足多代系統(tǒng)在各種應(yīng)用中的需求。（圖片來源：SiTime）

　　這種參數(shù)微調(diào)功能允許設(shè)計(jì)人員對(duì)輸出頻率進(jìn)行編程，以準(zhǔn)確匹配下游 IC，例如微控制器、微處理器或片上系統(tǒng) （SoC）。由于這種靈活性，不再需要使用外部緩沖器、分頻器或頻率轉(zhuǎn)換 PLL，可大大降低復(fù)雜性和開發(fā)時(shí)間。

　　雖然可編程 MEMS 振蕩器可大大減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，但這種負(fù)擔(dān)并沒有消失。相反，它向上轉(zhuǎn)移至器件提供商，設(shè)計(jì)人員要依靠其獲取 MEMS、可編程模擬和系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)，以確保實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定、可輕松編程的解決方案。

　　可編程 MEMS 解決方案

　　盡管靈活，但并不存在可涵蓋所有頻率的各種可能應(yīng)用的“一體適用型”選項(xiàng)。不過，可編程 MEMS 振蕩器工藝和技術(shù)的掌握水平仍日臻成熟。例如，SiTime Elite Platform 的 SiT3521（圖 3）和 SiT3522 振蕩器能夠使用其 I2C/SPI 接口進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)編程 （ISP），分別能從 1 MHz 編程至 340 MHz，從 340 MHz 編程至 725 MHz（增量為 1 Hz）。

圖 3：SiT3521（如圖）有一個(gè)數(shù)字 I2C/SPI 接口（右下），可從 1 MHz 編程至 340 MHz。其姊妹產(chǎn)品 SiT3522 可從 340 MHz 編程至 725 MHz。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　作為數(shù)字控制振蕩器 （DCO），這些器件不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 來驅(qū)動(dòng)控制輸入，而且它們不受模擬噪聲耦合的影響。

　　另外，由于頻率牽引是通過 PLL 分?jǐn)?shù)反饋分壓器實(shí)現(xiàn)，所以不會(huì)出現(xiàn)牽引非線性。使用分?jǐn)?shù)反饋分壓器也意味著可拉性不受限制，因?yàn)樗赡苁请妷嚎刂频氖⒕w振蕩器。這樣一來，該器件有 16 種頻率牽引范圍選擇，從 6.25 ppm 至 3200 ppm。這兩種器件都有約 0.2 皮秒 （ps） 的超低相位抖動(dòng)，指定可編程牽引范圍為 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。它們的頻率牽引分辨率低至 5 ppt，并支持三種信號(hào)類型：LVPECL、LVDS 和 HCSL。

　　這些器件可靈活適用于網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器存儲(chǔ)、廣播、電信以及測試和測量等應(yīng)用。在此，由于要向后兼容傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)字視頻傳輸或以太網(wǎng)，因此需要能適應(yīng)多種頻率以及各種抖動(dòng)和相位噪聲要求。

　　使用 SiT3521 和 SiT3522 可編程 MEMS 振蕩器

　　SiT3521 和 SiT3522 有兩種工作模式：“任意頻率”和 DCO。在任意頻率模式下，設(shè)計(jì)人員可將設(shè)備重新編程為其支持的任何頻率。要實(shí)現(xiàn)此功能，需要首先計(jì)算后分頻器、反饋和 mDriver 值，然后將其寫入器件（圖 4）。

圖 4：參考 I2C/SPI 振蕩器高級(jí)方框圖，SiT3521 和 SiT3522 的編程都是從計(jì)算后分頻器、反饋分壓器和 mDriver 值開始，且以這些計(jì)算的一個(gè)用戶輸入值作為目標(biāo)輸出頻率。（圖片來源：SiTime）

　　這些計(jì)算要求設(shè)計(jì)人員輸入的唯一值是所需的輸出頻率。其他輸入值為分頻器的允許范圍。請(qǐng)注意，在對(duì)新值編程時(shí)，輸出會(huì)暫時(shí)禁用，因此設(shè)計(jì)人員需要考慮到這一點(diǎn)。

　　對(duì)于數(shù)字控制，這個(gè)過程更容易。根據(jù)器件的訂購代碼，器件上電到其標(biāo)稱工作頻率和牽引范圍。從這一點(diǎn)來看，牽引范圍和輸出頻率都可以通過寫入其各自的控制寄存器來設(shè)置（左上，圖 4）。然而，還是需要考慮一些細(xì)微差別。例如，最大的輸出頻率變化受到牽引范圍限制的約束。牽引范圍指定為峰峰值偏差的一半，因此 200 ppm 峰峰值偏差被指定為 ±100 ppm 的牽引范圍。

　　從 16 個(gè)選項(xiàng)（±6.25 ppm 至 ±3200 ppm，如前所述）列表中選擇所需牽引范圍后，牽引范圍會(huì)被加載到相應(yīng)的控制寄存器（Reg2［3:0］，圖 4）。如表 1 所示，牽引范圍會(huì)影響頻率精度。

　　Reg2［3:0］編程的牽引范圍頻率精度

　　表 1：設(shè)計(jì)人員可以從 16 個(gè)可能的 SiT3521 和 SiT3522 牽引范圍中進(jìn)行選擇，并將其加載到控制寄存器中。牽引范圍的選擇會(huì)影響頻率精度。（圖片來源：SiTime）

　　要改變輸出頻率，設(shè)計(jì)人員可寫入兩個(gè)控制字：首先寫入最不重要的字 （LSW） 到 Reg0［15:0］，然后寫入最重要的字 （MSW） 到 Reg0［15:0］。寫入 MSW 后，器件會(huì)更改其反饋分壓器的值，以適應(yīng)新的頻率。此操作在 Tdelay 時(shí)間框架內(nèi)完成（圖 5）。

圖 5：在 DCO 模式下，輸出頻率在寫入 MSW 后開始變化，在器件更改其反饋值（Tdelay 期間）并穩(wěn)定 （Tsettle） 到新值 （F1） 的 1% 后結(jié)束。（圖片來源：SiTime）

　　分頻器值設(shè)定后，輸出會(huì)穩(wěn)定在最終頻率值的 1% 以內(nèi)。不同于“任何頻率”模式，頻率變化時(shí)輸出不會(huì)被禁用。不過，如果啟用了軟件輸出允許 （OE） 控制功能，設(shè)計(jì)人員可以選擇手動(dòng)禁用頻率變化時(shí)的輸出。

　　要適應(yīng)這些器件并確保其滿足應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可以使用 SiT6712EB 評(píng)估板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該板支持帶差分信號(hào)輸出的 10 引腳 QFN 封裝 SiT3521 和 SiT3522，并允許全方位評(píng)估這些器件，包括信號(hào)完整性、相位噪聲、相位抖動(dòng)和重新編程的簡易性。該板還支持 LVPECL、LVDS 和 HCSL 輸出信號(hào)類型，包括用于輸出頻率測量的探測點(diǎn)。

　　這里需要指出的是，這些是具有亞納秒級(jí)上升/下降時(shí)間的差分振蕩器。為了確保準(zhǔn)確測量，必須采用測量最佳實(shí)踐，同時(shí)使用優(yōu)質(zhì)有源探針。

　　使用 SiT6712EB 評(píng)估板時(shí)，務(wù)必采用高速測量最佳實(shí)踐，包括使用優(yōu)質(zhì)有源探針和合適的高速差分探頭。

　　為達(dá)到最佳效果，應(yīng)使用帶寬 4 千兆赫 （GHz） 以上、負(fù)載電容 1 皮法拉 （pF） 以下的有源探針，并使用相匹配的高速差分探頭。配套的示波器應(yīng)具有 4 GHz 或更高帶寬，以及 50 歐姆 （Ω） 輸入。

　　面向應(yīng)用的現(xiàn)成即用可編程振蕩器

　　當(dāng)然，目前有諸多系列的可編程 MEMS 振蕩器，有些適用于網(wǎng)絡(luò)、廣播和通信，其他則可能適用于汽車領(lǐng)域，如 AEC-Q100 認(rèn)證，或注重較高工作溫度范圍等特點(diǎn)的工業(yè)領(lǐng)域。例如，SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作溫度為 -40?C 至 +85?C；33.333330 表示其標(biāo)稱頻率單位為兆赫。

　　當(dāng)然，也有適合特定應(yīng)用的封裝和電壓選項(xiàng)。例如，SiT1532 是低電壓 CMOS （LVCMOS） 1.2 V 振蕩器，采用 UFBGA 封裝，尺寸為 1.54 mm x 0.84 mm，高度為 0.60 mm（圖 7）。針對(duì)手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，其標(biāo)稱頻率為 32.768 kHz。

　　SiT1532 是一款采用 UFBGA 封裝的 LVCMOS 可編程 MEMS 振蕩器，可用于物聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)應(yīng)用。

　　在汽車領(lǐng)域，SiT8924AE 24 MHz 振蕩器具有非常高的工作溫度范圍（-55?C 至 ~125?C），采用小型無引線表面貼裝器件 （SMD） 封裝，尺寸為 2.50 mm x 2.00 mm，高度為 0.80 mm。

　　這些可編程 MEMS 器件系列繁多，標(biāo)稱頻率都是現(xiàn)成即用，但都有相同的原始形式：空白器件。它們基本上是“現(xiàn)場可編程”的振蕩器，最初為空白器件，然后在工廠對(duì)常用頻率進(jìn)行預(yù)編程，接著再由 Digi-Key 供貨。

　　定制振蕩器的快速發(fā)貨

　　若擁有多種多樣的振蕩器，則有助于將常用定時(shí)電路迅速推向市場，但并非每個(gè)設(shè)計(jì)人員都愿意進(jìn)行振蕩器編程，盡管它相當(dāng)簡單，但在特定情況下仍需定制配置。在過去，后者意味著定制配置從工廠發(fā)貨需要三到五周的提前期。Digi-Key 在自己的倉庫中安裝有專門用于 SiTime 零件的自動(dòng)編程機(jī)，因此可解決這一問題。

　　該機(jī)器目前有八個(gè)插座，每小時(shí)可編程 1500 個(gè)單元，將定制配置的提前期縮短到 24 至 48 小時(shí)，并且無最低訂購數(shù)量限制。

　　要利用此功能，設(shè)計(jì)人員可從 Digi-Key 技術(shù)論壇上的 SiTime 可編程振蕩器部分開始。提交申請(qǐng)后，將立即向 Digi-Key 的工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員發(fā)送電子郵件。他們將驗(yàn)證新零件編號(hào)，并將其添加到 Digi-Key 網(wǎng)站上。雖然網(wǎng)站會(huì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成訂購過程，但熟悉 SiTime 振蕩器配置的命名法可能會(huì)有所幫助（圖 ）。

圖 ：圖示為 SiTime 可編程 MEMS 振蕩器的常用配置命名法，此處以 SiT2001 基本型號(hào)為例。（圖片來源：SiTime）

　　總結(jié)

　　各種應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要靈活的電路定時(shí)解決方案，以滿足當(dāng)前以及傳統(tǒng)和未來的系統(tǒng)規(guī)格和要求。設(shè)計(jì)人員選擇可滿足諸多要求的可編程 MEMS 器件，可免除多個(gè)晶體或 MEMS 振蕩器以及相關(guān)電路和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從而節(jié)省空間、時(shí)間和成本。