導(dǎo)讀:在不斷拓展的計(jì)時(shí)場景應(yīng)用中,電子系統(tǒng)對計(jì)時(shí)元件提出了更高、更復(fù)雜的技術(shù)要求,而傳統(tǒng)的石英晶振無法克服其固有限制,如怕摔怕振,易斷裂,易溫漂,有限的頻率等缺點(diǎn)。其已經(jīng)不能滿足所有應(yīng)用領(lǐng)域需求。與石英晶振相比,MEMS硅晶振憑借有不停振、不跑偏、不怕摔,無溫漂,體積小可編程等優(yōu)勢將有機(jī)會替代傳統(tǒng)石英晶振,解決電子工程師設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)。我愛方案網(wǎng)原創(chuàng)MEMS應(yīng)用專題,匯聚六大MEMS工程優(yōu)勢,幫助工程師深度認(rèn)識MEMS晶振產(chǎn)品、技術(shù)、替代案例,推薦的應(yīng)用領(lǐng)域。本專題得到原廠和代理商支持,我們對有項(xiàng)目導(dǎo)入需求的工程師提供免費(fèi)樣片,讓工程師隨看即用。
隨著MEMS優(yōu)勢逐漸被工程師了解和在汽車、通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用快速增加,其成本和可編程易用性不斷改善,應(yīng)用不斷向可穿戴和智能家居等消費(fèi)領(lǐng)域滲透。我愛方案網(wǎng)通過比對石英晶振與MEMS晶振來幫助工程師選型和提高導(dǎo)入新產(chǎn)品的能力。除了成本因素,與傳統(tǒng)石英晶振相比,MEMS硅晶振憑借能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擁有高質(zhì)量高可靠性、對EMI和振動敏感性低、占用板間距空間少、抗沖更強(qiáng)等優(yōu)勢正在改變電子計(jì)時(shí)市場。我們相信更多電子工程師正在導(dǎo)入更大優(yōu)勢的MEMS硅晶振。
Sitime是主流MEMS晶振原廠,針對MEMS硅晶振場景應(yīng)用,SiTime公司已經(jīng)在主流MCU時(shí)鐘應(yīng)用、自動控制、IoT與移動設(shè)備、安防與監(jiān)控、5G/通信、汽車、音頻和流媒體等場景快速落地應(yīng)用。截至目前,SiTime已經(jīng)向超過10,000家客戶交付了數(shù)十億顆元件,其中包括蘋果、FitBit、Garmin、??低?、三星電子、谷歌、微軟、戴爾和華美等。
另外,據(jù)相關(guān)市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì),由于5G、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)及自動駕駛驅(qū)動,到2024年MEMS振蕩器市場規(guī)模將達(dá)到100億美元。SiTime已經(jīng)開始將戰(zhàn)略目標(biāo)重心瞄向拓展汽車、物聯(lián)網(wǎng)及5G/通信等市場。與傳統(tǒng)的石英晶振相比,新型MEMS振蕩器正憑借以下六大優(yōu)勢強(qiáng)勢入駐各大應(yīng)用市場。
1、MEMS振蕩器簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)
從表面上看,使用石英晶體的振蕩器設(shè)計(jì)似乎是直接的,特別是考慮到這項(xiàng)技術(shù)的成熟。但是,在將晶體與振蕩器電路匹配時(shí),需要考慮無數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)包括晶體運(yùn)動阻抗、諧振模式、驅(qū)動電平和振蕩器負(fù)電阻,它們是衡量振蕩器增益的指標(biāo)。
此外,并聯(lián)諧振模式晶體必須考慮負(fù)載電容,它應(yīng)考慮PCB寄生電容,以及可能包含在振蕩器電路中的片上集成電容。必須仔細(xì)考慮所有這些參數(shù),以確保電路的可靠啟動和運(yùn)行。由于振蕩器電路需要諧振器與振蕩器電路的緊密匹配,晶體供應(yīng)商不能保證晶體的啟動。
相反,MEMS振蕩器是一個(gè)完整的解決方案。振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配,從而減輕了電路板設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)。由于消除了匹配誤差,SiTime保證了振蕩器的啟動。簡而言之,MEMS振蕩器是一種即插即用的解決方案,大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2、提供了高可靠性和穩(wěn)定性
相對于石英晶體的專門制造工藝,MEMS振蕩器制造商采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝工藝,這包括硅片級的諧振器和振蕩器集成電路的生產(chǎn),以及與標(biāo)準(zhǔn)引線框架的塑料封裝的模具結(jié)合。
SiTime的MEMSFirst?工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的硅制造技術(shù),在非常高溫,清潔,真空的環(huán)境中密封MEMS。這為MEMS創(chuàng)造了一個(gè)非常干凈,無濕氣的環(huán)境,并且消除了污染或水分引起的ActivityDip的可能性。
所有SiTime產(chǎn)品均采用強(qiáng)大的6-Sigma工藝設(shè)計(jì)并投入生產(chǎn)。產(chǎn)品按照適當(dāng)?shù)腏EDEC和AEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分表征和鑒定。為了確保最高質(zhì)量,SiTime在每個(gè)生產(chǎn)批次的樣品上對溫度范圍進(jìn)行批次驗(yàn)收測試(LAT)。SiTime的超高質(zhì)量已經(jīng)在成千上萬的裝置上得到了驗(yàn)證。其實(shí)際的現(xiàn)場報(bào)廢率低于2DPPM,在半導(dǎo)體行業(yè)中名列前茅。經(jīng)過六年多的出貨,SiTime已經(jīng)沒有MEMS領(lǐng)域的故障。
3、MEMS振蕩器EMI敏感性低
電磁能量,在大多數(shù)系統(tǒng)中是常見的,可以通過暴露的PCB痕跡,連接晶體諧振器和包含振蕩器電路的集成電路。這種噪聲可以耦合到振蕩器電路中并傳遞到輸出端,從而增加系統(tǒng)的抖動和噪聲。然而,集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒有暴露的PCB連接,連接MEMS諧振器和IC的鍵合線或球非常短。這使得MEMS振蕩器對電磁干擾不太敏感。如下表和圖所示,SiTime硅晶振比晶體諧振器低11.3dBm(線性尺度上的134倍)。
4、MEMS振蕩器占用板空間少
MEMS振蕩器是一個(gè)完全集成的解決方案,不需要外部組件,如電源去耦蓋。SiTime的1.5毫米x0.8毫米(1508)足跡小于最小的石英晶體足跡1.6毫米x1.2毫米。當(dāng)考慮到32kHz石英晶體所需的負(fù)載電容時(shí),總板面積或Xtal溶液的體積是原來的3倍以上。
5、振動敏感度更低,抗沖更強(qiáng)
SiTimeMEMS振蕩器與類似的石英晶振器件相比,電路設(shè)計(jì)的振動敏感度更低,抗沖擊能力更強(qiáng)。一些需要非常穩(wěn)定頻率的系統(tǒng),如無線基站和小小區(qū),可能會因振動而發(fā)生系統(tǒng)故障和服務(wù)中斷。SiTimeMEMS振蕩器具有抗振動能力,因?yàn)镸EMS諧振器的質(zhì)量比石英諧振器的質(zhì)量低大約1,000到3,000倍。這意味著在MEMS結(jié)構(gòu)上施加一定的加速度,例如沖擊或振動,將導(dǎo)致比其石英等效力低得多的力,從而導(dǎo)致更低的頻移。
圖5顯示,SiTimeMEMS振蕩器的振動靈敏度比石英振蕩器低10倍以上。請注意,這個(gè)數(shù)字是基于測量石英振蕩器,而不是被動晶體諧振器,但類似的結(jié)果是預(yù)期的石英晶體諧振器。
6、MEMS硅振蕩器任何頻率都易獲得
與晶體諧振器相比,MEMS諧振器是基于標(biāo)準(zhǔn)諧振器結(jié)構(gòu)的。MEMS振蕩器的輸出頻率是通過對不同乘法值的鎖相環(huán)編程產(chǎn)生的。這使得頻率范圍非常寬,精度達(dá)到六位數(shù)。此外,MEMS硅振蕩器是用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝和封裝。由于MEMS振蕩器廠商利用非常大的半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,容量實(shí)際上是無限的。
MEMS振蕩器樣品可以編程并在一天內(nèi)獲得,甚至對非標(biāo)準(zhǔn)頻率也是如此。通過使用SiTime的低成本時(shí)間機(jī)器II程序員和現(xiàn)場可編程振蕩器,設(shè)計(jì)者可以在他們的實(shí)驗(yàn)室中立即編程振蕩器,以創(chuàng)造一個(gè)設(shè)備的任何頻率,任何供電電壓和任何穩(wěn)定的設(shè)備在設(shè)備的操作范圍內(nèi)。
二、MEMS硅晶振場景應(yīng)用
2.1、汽車MEMS計(jì)時(shí)解決方案
針對汽車計(jì)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用,SiTime公司憑借突破性技術(shù)和快速創(chuàng)新,其MEMS振蕩器業(yè)務(wù)已經(jīng)覆蓋了汽車攝像頭、ADAS計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、雷達(dá)與激光雷達(dá)、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、引擎與動力系統(tǒng)、無線充電器等。其汽車MEMS振蕩器產(chǎn)品的魯棒性提高了30倍,并AEC-Q100兼容,是為符合ASIL(汽車安全完整性等級)的汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì),如先進(jìn)的驅(qū)動輔助系統(tǒng)(ADAS)、車載以太網(wǎng)、動力總成和電子控制單元(ECU)。
其次,根據(jù)SiTime的數(shù)據(jù)顯示,每臺車有20-70個(gè)振蕩器機(jī)會,每臺車MEMS成本為3到10美元,而在這些極端溫度和振動惡劣環(huán)境中的MEMS振蕩器的優(yōu)勢具有:1、最佳穩(wěn)定性±20ppm,延長溫度從-55oC到125o耐沖擊,振動和噪音比石英振蕩器好50倍;2、最佳可制造性。SOT23最佳焊點(diǎn)可靠性和易于視覺檢測;EMI控制,無需PCB更改,可配置上升/下降時(shí)間控制。
簡而言之,SiTime擁有強(qiáng)大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振蕩器,它們是汽車應(yīng)用的最佳解決方案,因?yàn)樗鼈兎细呒夞{駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的ASIL(汽車安全完整性)車輛以太網(wǎng),動力總成和電子控制單元(ECU)。
2.2、MEMS硅晶振5G應(yīng)用
在5G/通信領(lǐng)域,SiTime與英特爾等行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)合作,推動5G的計(jì)時(shí)創(chuàng)新。
據(jù)SiTime首席執(zhí)行官RajeshVashist表示,“由于多種原因,5G技術(shù)將給定時(shí)解決方案帶來的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過過去。5G無線電使用毫米波技術(shù),覆蓋范圍為幾百米,而不是4G的千米距離。因此,5G網(wǎng)絡(luò)將更加密集。更密集的網(wǎng)絡(luò)使設(shè)備更貼近客戶,進(jìn)入更嚴(yán)苛,更少控制的環(huán)境,例如在交通信號燈,路燈,建筑物,屋頂和停車場上部署。
這些位置具有許多環(huán)境壓力因素,例如振動,沖擊,高溫和快速溫度變化。這些壓力因素導(dǎo)致石英器件失效,我們認(rèn)為這可能是5G中單個(gè)最大的失效點(diǎn)。祖母綠產(chǎn)品對這些環(huán)境壓力因素的免疫力提高20倍,并確保網(wǎng)絡(luò)以及在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)運(yùn)行良好。
考慮到5G的更密集的部署配置,更高的帶寬以及關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的部署,標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在使無線電到無線電時(shí)間精度規(guī)格更加嚴(yán)格10倍。在4G中,它是1.5微秒。在5G中,它是130納秒(ns)?!睘榱藵M足這一嚴(yán)格的規(guī)范,SiTime推出了Emerald產(chǎn)品。
這是第一款基于MEMS的恒溫晶振(OCXO)。它們旨在解決與夸脫OCXO相關(guān)的問題,這些夸脫對高溫,熱斜坡和振動非常敏感。設(shè)計(jì)人員通常需要進(jìn)行3到5次電路板迭代才能正確放置石英OCXO,如果設(shè)計(jì)仍然顯示靈敏度,他們必須使用塑料或金屬蓋來安裝石英OCXO,以將其與周圍環(huán)境隔離。RajeshVashist表示,EmeraldPlatform消除了這個(gè)問題。其強(qiáng)大的OCXO可放置在電路板上的任何位置??蛻舻谝淮潍@得正確的位置,可以更快地推出產(chǎn)品并加快收入時(shí)間。
除了解決電路板設(shè)計(jì)問題外,EmeraldPlatform還在動態(tài)穩(wěn)定性(系統(tǒng)中,存在振動,沖擊,溫度斜坡)方面設(shè)定了新的性能基準(zhǔn),比石英高出20倍-新5G必備基礎(chǔ)架構(gòu)部署Emerald產(chǎn)品是可編程的,始終可提供1至220MHz的任何頻率,以及一系列頻率穩(wěn)定性,工作溫度,輸出類型和封裝,包括比類似石英OCXO小75%的解決方案。
對于客戶而言,SiTime公司已經(jīng)為客戶消除了一長串令人頭疼的問題,并有中國本地代理商提供編程服務(wù),解決工程樣品和批量訂貨的及時(shí)交貨難題。對于SiTime,EmeraldPlatform使之能夠擴(kuò)展到價(jià)值15億美元的電信和網(wǎng)絡(luò)時(shí)序市場的更高端。
三、MEMS硅晶振替代案例
硅晶振替代石英晶振的場景正在快速提升,特別在缺貨潮中,替代將更加迫切。我愛方案網(wǎng)聯(lián)合硅晶振原廠Sitime推薦通信設(shè)備、工業(yè)控制、電源和FPGA配套時(shí)鐘應(yīng)用案例,幫助方案商和終端設(shè)備制造商做好選型替代,并提供免費(fèi)研發(fā)樣片。硅晶振的頻點(diǎn)有四大優(yōu)勢,不停振、不跑偏、無溫漂,不怕摔,能有效提升產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性,特別適合溫差大,震動大和頻率點(diǎn)多的開發(fā)項(xiàng)目。
案例一:SIT8008低功耗可編程振蕩器
兼容性:無需PCB改動,直接替代石英晶振;
頻率精度:1-110MHZ任一頻點(diǎn),精確小數(shù)點(diǎn)后6位;
電壓范圍:1.8V--3.3V全電壓范圍;
封裝規(guī)格:7050、5032、3225、2520、2016全封裝范圍支持;
樣片交貨:任一頻點(diǎn),24小時(shí)樣品供應(yīng)。
應(yīng)用場景:以太網(wǎng)設(shè)備、服務(wù)器、SSD、光通訊、音視頻、工業(yè)控制、電源等行業(yè)應(yīng)用
產(chǎn)品承諾:立即交付,綠色環(huán)保,全程品質(zhì)保證
案例二:SIT9121高性能差分晶振
頻率精度:1-220MHZ任一頻點(diǎn),精確小數(shù)點(diǎn)后6位;
電壓范圍:2.5V-3.3V電壓范圍;
封裝規(guī)格:7050、5032、3225封裝;
輸出信號:LVDS\LVPECL信號模式;
應(yīng)用場景:PCI-E時(shí)鐘、SONET設(shè)備、FPGA時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘,存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)中心設(shè)備
硅晶振比較石英晶振的老化參數(shù)
案例三:SIT535X溫補(bǔ)晶振(TCXO)
溫補(bǔ)范圍:±100ppbupto±220ppb全溫度范圍內(nèi)高精度穩(wěn)定(無溫漂);
頻率精度:1-220MHZ任一頻點(diǎn),精確小數(shù)點(diǎn)后6位;
電壓范圍:2.5V2.8V3.3V電壓;
封裝規(guī)格:503210-Pin封裝;
輸出信號:LVCMOS&正弦波輸出;
應(yīng)用場景:小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太網(wǎng)設(shè)備、測試儀器、雷達(dá)等產(chǎn)品。
總體而言,隨著MEMS硅晶振技術(shù)的擴(kuò)展,傳統(tǒng)石英晶振將有機(jī)會被替代。與石英晶振相比,MEMS硅晶振突破了多重技術(shù)限制,為電子設(shè)計(jì)工程師解決了時(shí)鐘電路方案的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。
四、MEMS硅晶振產(chǎn)品選型
SiTime公司是硅MEMS時(shí)鐘市場的領(lǐng)導(dǎo)者。SiTime的可編程解決方案提供了豐富的特性,通過幫助客戶提高產(chǎn)品的性能、縮小尺寸、降低功耗并提升可靠性來提高產(chǎn)品的市場競爭力。憑借著高市場份額和超過20億顆MEMS時(shí)鐘器件的出貨量,SiTime正在變革時(shí)鐘行業(yè)。SiTime產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝和高量產(chǎn)塑料封裝技術(shù)的生產(chǎn)流程,提供業(yè)界最強(qiáng)的供貨能力和最短的交貨時(shí)間。
為了加速M(fèi)EMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及及對電子工程師的認(rèn)知和產(chǎn)品選型替代,使得國內(nèi)電子方案商和設(shè)計(jì)工程師快速體驗(yàn)MEMS硅晶振產(chǎn)品帶來的高穩(wěn)定度、超小封裝、超低功耗、超低抖動帶來的產(chǎn)品體驗(yàn)升級。MEMS硅晶振計(jì)時(shí)市場的領(lǐng)導(dǎo)者SiTime已經(jīng)聯(lián)合我愛方案網(wǎng)推出免費(fèi)送樣活動(詳情請點(diǎn)擊:https://activity.52solution.com/sitime/或點(diǎn)擊“閱讀原文”進(jìn)入專題頁面申請),并可通過現(xiàn)金券進(jìn)行產(chǎn)品批量訂貨。