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MEMS振蕩器與傳統(tǒng)石英晶振的比較優(yōu)勢

發(fā)布時間:2009-02-25 來源:電子元件技術網

中心議題:
  • MEMS振蕩器與傳統(tǒng)石英晶振的比較優(yōu)勢
  • Stime最新的MEMS晶振性能介紹
解決方案:
  • MEMS振蕩器體積更小巧,厚度可低至0.25毫米
  • MEMS振蕩器的穩(wěn)固程度為傳統(tǒng)石英晶振的十倍
  • MEMS振蕩器功耗更低(3.5毫安)、啟動速度更快(3毫秒)、精度更高(10PPM)
  • MEMS振蕩器采用的半導體技術,在生產的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)石英晶振有優(yōu)勢
  • MEMS振蕩器采用可編程的半導體技術,供貨周期由傳統(tǒng)晶振的十八周縮短為兩周
  • MEMS振蕩器振蕩頻率高(800M),且可以實現(xiàn)與現(xiàn)有石英晶振的PIN-TO-PIN引腳兼容

雕塑家羅丹說:“這世界從不缺乏美,缺少的只是發(fā)現(xiàn)的眼睛。”硅谷初創(chuàng)公司Sitime幾位創(chuàng)始人的經歷告訴我們:這世界也從不缺少創(chuàng)新的機會,缺少的只是勇于創(chuàng)新的思想。幾位原本在BOSCH公司從事MEMS技術研究的科學家,發(fā)現(xiàn)了將MEMS技術引入時鐘領域的機會,發(fā)明了基于MEMS技術的全硅可編程振蕩器,從此在頻率市場誕生了一個完全不同以往的產品,這將發(fā)起對現(xiàn)有石英振蕩器的顛覆性沖擊。

只有采用完全不同以往的思想、技術、工藝才能帶來顛覆性的技術革命,這是修修補補的改造所不能實現(xiàn)的效果。由于MEMS振蕩器的實現(xiàn)原理完全不同于以往的石英晶振,因此它可以克服現(xiàn)有石英晶振的很多先天劣勢。具體總結如下:

由采用全硅MEMS技術所帶來的優(yōu)勢
1.體積優(yōu)勢
石英晶振的振蕩頻率受石英晶體的體積所限,而要切割微小體積的石英晶體非常困難,且石英晶體的體積越小其制造良率就越低、制成后的抗沖擊能力就越差。MEMS振蕩器可以非常容易的實現(xiàn)小型化。

目前SiTime的MEMS振蕩器已經可以實現(xiàn)2520的封裝體積,而如此之小的體積,石英晶體很難做到,并且據(jù)SiTime公司的產品市場總監(jiān)Jeff介紹:“下一步還要實現(xiàn)2016封裝的MEMS振蕩器。”



STIME公司產品市場總監(jiān)Jeff Gao

除了越來越小的電子設備需要更小體積振蕩器的配合,有些最新的電子設備的體積甚至已經小到了傳統(tǒng)石英晶振難以滿足要求的地步。比如下一代高容量SIM卡(HC-SIM)由于要具備USB接口,因此需要外加時鐘,而HC SIM卡的厚度非常有限,厚度只有0.7毫米,傳統(tǒng)的石英晶振厚度很難做到1毫米以內,這時厚度只有0.25毫米的SiT8003XT將成為最佳解決方案。

2.穩(wěn)定度優(yōu)勢
傳統(tǒng)晶振在使用20M-33MHrs后會發(fā)生性能穩(wěn)定性下降的問題,而MEMS振蕩器出現(xiàn)該問題的時間是500MHrs,穩(wěn)定度提高十倍以上。

另外由于采用了SiTime公司擁有專利的穩(wěn)固封裝,MEMS振蕩器的仿真系數(shù)達到-50,000G,而傳統(tǒng)的石英晶振只能達到-2,000G。因此相比較易破碎的石英晶振,MEMS晶振要堅固的多。

3.效能優(yōu)勢
MEMS晶振可以做到更低的功耗和更快的啟動時間。功耗可低至3.5毫安,啟動速度快至3毫秒。這可以對滿足現(xiàn)有便攜產品的低功耗要求帶來幫助。

MEMS振蕩器可以實現(xiàn)10個PPM的精度,這是石英晶振難以達到的,現(xiàn)有石英晶振的最高精度為25-30PPM。更高的精度為設計師設計產品提供了冗余。

4.質量的一致性優(yōu)勢
MEMS振蕩器采用全硅工藝,完全按照半導體IC的制作工藝生產,可以采用成熟、穩(wěn)定的半導體工藝,因此它的質量穩(wěn)定性更高。不同頻率的石英晶振則要采用不同的切割生產線,最后對產品的質量穩(wěn)定性帶來影響。

5.成本優(yōu)勢
MEMS采用全硅工藝,可以在世界上任何一家晶圓廠代工,巨大的產品數(shù)量不會對產品成本帶來影響。而如果是石英晶振,廠家如果要滿足超出目前產能的產品數(shù)量需求就需要添置設備建設更多的生產線,人力成本和設備成本的增加都會直接影響產品的成本,而新設備、新工人的使用甚至會對產品質量的穩(wěn)定性帶來影響。

由于采用可編程技術帶來的優(yōu)勢
1.交貨周期大幅縮短
由于采用可編程技術,可以針對客戶的不同頻率需要,在很短的時間內提供不同頻率的產品,平均的供貨期為兩周,而石英晶振通常的供貨周期為十八周。這在制造商對上市時間越來越敏感,產品生命周期越來越短的今天是十分重要的。

SiTime的亞太區(qū)銷售副總David介紹,為了滿足美國一家客人的需要,SiTime在24小時內就提供了樣片、一周內提供了100片產品,而在兩周內就實現(xiàn)了滿足客戶需求的批量供貨。

2.減少供貨商的數(shù)量和驗證時間
采用傳統(tǒng)的石英晶振,沒有一家廠家可以保證能夠提供客戶所需的所有頻率。因此制造商需要選用多個晶振制造商的產品,并且為了保證產品可靠性需要對不同頻率的晶振進行驗證。

采用MEMS振蕩器,由于頻率是可編程的,只需要采有一個廠家的有限數(shù)量的振蕩器就可以滿足制造商對不同頻率振蕩器的需要。和盡量少的供貨商打交道,盡量少的花費產品驗證時間對制造商降低成本、簡化制造流程、加快產品上市時間都是有幫助的。

3.對制造商解決EMI問題帶來幫助
雖然設計師在設計初期做很多EMI/EMC問題的考量,但往往會還是會在最終設計完成時碰到由于通不過EMI測試而無法量產的問題。傳統(tǒng)的解決方法是:1.重新優(yōu)化布板,這是花費時間最長、成本最高的做法。2.給相應的位置增加屏蔽罩和濾波器,這樣會增加成本和制造難度。3.有了MEMS擴頻振蕩器,現(xiàn)在還有一種方法是采用擴頻振蕩器擴展時鐘頻譜對由時鐘帶來的EMI問題加以解決,采用不同的擴展方式和擴展幅度可以取得不同的效果,最好的情況是可以降低EMI12個dB。實際應用中,已經有設計師通過使用MEMS擴頻時鐘代替原有石英晶振使原來通不過EMI測試的產品順利過關。

其他優(yōu)勢:
  • 和現(xiàn)有的石英晶振PIN-TO-PIN,可以順利替代。
  • 可以采用從1.8V至3.3V的多種電壓,全面覆蓋現(xiàn)有電子產品的輸出電壓規(guī)格。
  • 具備差分輸出功能。振蕩頻率高,最高可以實現(xiàn)800M的振蕩頻率,滿足通信等高端應用的需要。

由于存在以上的性能優(yōu)勢,長期來看MEMS振蕩器將代替現(xiàn)有的石英晶振。但由于振蕩器在使用中具有價格低、用量大、功能重要的特點,很多制造商都有自己的使用習慣和固定客戶,MEMS晶振要代替石英晶振也存在以下需要解決的問題:
  • 擴大MEMS振蕩器在業(yè)界的認知度
  • 客戶使用習慣的培養(yǎng)
  • 拉大與石英晶振的價格優(yōu)勢,目前只是價格相當
SiTime的亞太區(qū)銷售總監(jiān)David介紹,該公司的MEMS晶振目前還主要是滿足制造商在替代使用中的需要,但是用過MEMS振蕩器的客戶由于認識到了MEMS振蕩器的優(yōu)勢,回頭率都很高,該公司的MEMS振蕩器出貨量累計已達800萬片,而這些出貨量主要是2008年后取得的,出貨量的增速增加很快.

石英晶振自誕生起已經走過了幾十年的時間,MEMS振蕩器是否是一個改朝換代的發(fā)明,我們都拭目以待。不過我建議設計師們可以嘗試一下,也許若干年后,當MEMS振蕩器一統(tǒng)江湖的時候,你會為自己的先見之明而感到驕傲呢?



圖中最小的chip為STIME公司的最新MEMS振蕩器產品






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