電子發燒友 發表於 2019-03-25 08:36:49
從消費類多媒體產品到工業自動化和監視系統、網絡和通信基礎設施以及堅固的軍用設備，所有數字電子產品都有一個滴答作響的「心臟」，即一個準確的振蕩器。歷史上，工程師一直利用石英晶體的諧振特性來實現準確的定時。隨著提高可靠性和性能的壓力持續增大、對更小尺寸和更低功耗的要求以及邏輯電路速度的提高，這一切都促使定時專家開發新的材料和技術。
壓電MEMS（pMEMS）諧振器和振蕩器是新一代基於晶片的頻率控制器件中的兩種器件，這類基於矽技術的新一代器件有很多優勢，例如具備半導體級的抗衝擊和抗震動性能。此外，半導體的特徵尺寸允許在單個晶片上同時製造大量器件，從而可實現規模經濟。此外，這類器件還可以採用低成本塑料封裝，利用半導體級的集成度實現佔板面積更小的封裝，為節省電路板空間和不斷微型化提供了機會。為了應對振蕩器挑戰，IDT開發了超小的、採用纖巧晶片級封裝的CrystalFree？諧振器（圖1）。
圖1：微型化pMEMS諧振器兼有更高的可靠性和經濟性，還有無需電源的無源運行優勢。
pMEMS振蕩器的其他優點包括：自然地與表面貼裝組裝流程兼容，而且從訂貨到交貨的時間很短。這使供應商和用戶（電子產品製造商）能降低供貨短缺風險，保持更少的器件庫存。如同使用石英晶體時一樣，pMEMS諧振器無需電源，而且插入損耗更低。此外，MEMS諧振器不會遭遇頻率擾動（activity dip）問題，而這一問題可能損害石英晶體器件的可靠性。
隨著產品的更新換代，商用MEMS振蕩器的性能一直在穩步上升，已日益接近傳統石英晶體器件的性能。根據IHS iSuppli公司的研究，MEMS振蕩器市場最初是由小型初創公司驅動的，隨著IDT等定時器件供應商在市場上取得穩固地位後，他們投入了更多開發資源，希望通過改善MEMS振蕩器晶片的設計來進一步改善其性能和功能。因此，MEMS振蕩器市場有望進入更高速的發展階段。IHS iSuppli公司董事兼MEMS及傳感器首席分析師Jérémie Bouchaud預測，在40億美元的頻率控制產品市場上，MEMS振蕩器的市場份額將從2010年相對較小的1350萬美元增長到2015年的2.05億美元。這相當於72.3%的年複合增長率。
隨著2012年5月推出4M系列振蕩器，IDT推出了世界上第一款能提供高性能通信、消費類、雲計算和工業應用所需的頻率準確度和抖動性能的pMEMS振蕩器。
在4M系列pMEMS諧振器的設計中，IDT結合了壓電材料強大的機電耦合特性和單晶矽的穩定性與低衰減特性，開發出了一個實用、經濟的振蕩器系列，該系列的可靠性和性能水平均很高。圖2顯示了4M MEMS振蕩器的簡化功能方框圖。
圖2：諸如4M系列等最新的pMEMS振蕩器提供更高的性能和更緊密的功能集成
4M振蕩器的亞皮秒級抖動性能可與典型的晶體振蕩器相媲美，且頻率準確度在±50ppm之內。該系列器件在頻率高達625MHz時，支持低壓差分信號（LVDS）和低壓正發射極耦合邏輯（LVPECL），從而滿足大多數通信、網絡和高性能計算應用的嚴格要求。該系列振蕩器在2.5V至3.3V的電源電壓範圍內工作。所規定的±5ppm的老化穩定性使這些器件適用於電信和網際網路基礎設施領域的應用。
與基於石英晶體的傳統器件相比，pMEMS技術的固有特性還允許更高的固有諧振頻率，從而使這些振蕩器不必犧牲關鍵性能規格，就能以富有競爭力的價格提供更高的性能。4M系列器件憑藉小型晶片尺寸和晶片級封裝，可採用更小的5mm x 3.2mm（5032）塑料封裝，該系列器件也提供7mm x 5mm（7050）封裝選擇，以與廣泛採用的石英晶體的外形尺寸相匹配。
振蕩器評估板（圖3）幫助工程師開始新的設計，並快速了解怎樣利用這種新型器件實現最佳性能。
圖3：評估板幫助工程師利用4M系列pMEMS振蕩器進行設計
IDT還提供pMEMS時鐘發生器，例如CrystalFree？ 5V系列，該系列產品結合了pMEMS振蕩器技術和鎖相環（PLL）技術，可為消費類、計算以及嵌入式應用提供優質時鐘頻率。通過集成pMEMS技術，這些器件無需額外的外部頻率源，因此有助於提高可靠性、減小電路板尺寸並降低系統成本。實際上，pMEMS技術能使很多新穎的功能集成到同一封裝中，例如時鐘倍頻器、分頻器、多輸出配置等。
pMEMS技術的另一個好處是，振蕩器輸出頻率可以在器件離開工廠之前快速設定，而無需耗時或費用高昂的微調。這使供應商如IDT能以富有競爭力的價格提供定製頻率，即使最低訂單量較少也一樣。
堅固的工業頻率控制
隨著MEMS振蕩器領域最近取得的進步，如4M pMEMS系列所顯示，MEMS振蕩器技術已經準備就緒，能提供精確的工業應用所需的準確度和穩定性。隨著工業電子產品領域發生的變化，例如廣泛採用為工作人員提供更大靈活性並有助於提高生產率的手持式設備，pMEMS振蕩器固有的抗衝擊和抗振動性能引起了設備設計師的關注和興趣。
標準石英晶體器件被看作易損壞組件，在這種器件中，晶體夾裝在金屬外殼中。大約50g至100g的衝擊就能使晶體斷裂，因此晶體製造商會發布晶體組件的存儲、包裝及運輸指導原則。這類指導原則規定，要避免不小心的處理方法，例如掉落或拋扔裝有晶體的容器或系統，或者在將晶體組件插入系統時，用力過大。
晶體製造商已經開發出抗衝擊性很強的產品，這類產品抗機械應力的性能得到了極大的提高。在所採用的方法中，最大限度地減小晶體尺寸和特徵尺寸，例如調整音叉叉齒，可有效減少質量和降低內部剪切力。此外，安裝和陶瓷封裝技術的改進也為提高晶體的抗損性作出了進一步的貢獻。今天的高抗衝擊性晶體能經受遠超10，000g的衝擊而不被損壞，而抗衝擊性最高的晶體能承受超過100，000g的衝擊，以用在要求極端苛刻的軍用應用中。
相比之下，MEMS振蕩器具備半導體級的堅固性，不依靠特殊的構造或封裝方法，就能提供50，000g量級的高抗衝擊性。這為設計師提供了即經濟又堅固的定時解決方案，在眾多類型的設備中提供了長期可靠性，例如：重型鑽或切割設備的驅動裝置；運動控制；運輸系統中的電子產品，如軌道牽引傳動裝置或剎車控制器。汽車電子產品設計師也可以利用pMEMS器件具備的抗機械應力的堅固性，開發能承受連續高強度振動的產品模塊，這類振動即使在汽車的正常使用中也會遇到。
結論
總之，具備亞皮秒級抖動的pMEMS振蕩器為設計師提供了更大的選擇自由，加速了向更小、更準確、價格更富競爭力的定時解決方案的轉變。這最終將允許設計師準確確定，哪些類型的器件最適合最終應用，他們可以選擇晶體振蕩器、CMOS矽振蕩器或壓電MEMS器件，以滿足成本、頻率、準確度、穩定性、機械彈力、尺寸、功耗和可用性要求。
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