MEMS時(shí)鐘讓手機(jī)設(shè)計(jì)占位更小功耗更低

幾乎所有的數(shù)碼產(chǎn)品都會(huì)用到時(shí)鐘器件。系統(tǒng)越復(fù)雜，所采用的時(shí)鐘器件越多。在智能手機(jī)和平板電腦等新興應(yīng)用中，所需要的器件在尺寸和功耗上都和傳統(tǒng)產(chǎn)品有所區(qū)別。

回顧過去，晶體管被集成電路取代，照片膠卷被閃存卡代替，機(jī)械硬盤變更為固態(tài)硬盤。無論在哪個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品做到更好的可靠性、更小的尺寸、更低的成本，新技術(shù)就必然取代舊技術(shù)。時(shí)鐘器件也不例外，半導(dǎo)體制程也正在逐步取代傳統(tǒng)的石英制程。

日前，在SiTime公司和艾睿電子公司聯(lián)合舉辦的新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，SiTime市場(chǎng)營銷副總裁PiyushSevalia介紹說，時(shí)鐘器件涉及到IC設(shè)計(jì)公司和石英封裝工廠。過去這兩個(gè)市場(chǎng)的供應(yīng)商在技術(shù)上完全不相關(guān)，而SiTime公司同時(shí)具備這兩種技術(shù)。

SiTime公司的硅MEMS時(shí)鐘目前已經(jīng)成功進(jìn)入市場(chǎng)。其消費(fèi)類應(yīng)用包括數(shù)碼相機(jī)、平板電腦、攝像機(jī)、電視和電子書等；設(shè)備類應(yīng)用包括交換機(jī)、路由器、基站、云存儲(chǔ)、服務(wù)器、固態(tài)硬盤等。今年該公司將會(huì)把MEMS技術(shù)引入智能手機(jī)及手表的應(yīng)用中。

在設(shè)備類領(lǐng)域，廠商注重的是產(chǎn)品的效率和可靠性。很多云端和交換機(jī)設(shè)備廠商和SiTime合作，是因?yàn)镸EMS時(shí)鐘提供了更好的效率、可靠性以及功耗。在消費(fèi)類領(lǐng)域，相對(duì)石英產(chǎn)品，MEMS技術(shù)在成本上具有足夠優(yōu)勢(shì)，并且能夠滿足消費(fèi)類電子對(duì)小型化的要求。另外，由于MEMS時(shí)鐘可以任意編程，40個(gè)料號(hào)可以涵蓋傳統(tǒng)石英超過20萬個(gè)料號(hào)。

在EMI方面，電磁干擾會(huì)影響時(shí)鐘頻率，硅MEMS時(shí)鐘相對(duì)石英晶體的抗干擾能力要強(qiáng)50倍。所有電路板上的器件都具有一定噪聲，會(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)的品質(zhì)。用相位噪聲測(cè)量時(shí)鐘的品質(zhì)，硅MEMS時(shí)鐘比石英晶體品質(zhì)好10倍。在振動(dòng)情況下，石英器件會(huì)因此而影響精度?；救艏茉O(shè)在高鐵旁邊，振動(dòng)會(huì)使時(shí)鐘器件發(fā)生很大頻偏。MEMS時(shí)鐘在抗振動(dòng)方面好于石英30倍。用平均無故障時(shí)間(MTBF)衡量，MEMS時(shí)鐘的可靠性比石英晶體好15倍。

在手機(jī)和平板等移動(dòng)設(shè)備上，TCXO、32.768kHz時(shí)鐘及MHz諧振器這三種器件都會(huì)用到。TCXO會(huì)在手機(jī)的GPS和射頻部分用到。所有的手機(jī)和平板電腦上都會(huì)采用一到兩顆32.768kHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)。MHz諧振器則會(huì)根據(jù)智能手機(jī)和平板電腦的不同應(yīng)用(應(yīng)用處理器、Wi-Fi、NFC及USB等)，采用2顆~4顆提供參考時(shí)鐘。

石英晶振由于體積限制，無法做出1Hz的產(chǎn)品，而MEMS時(shí)鐘則可以在1Hz~32.768kHz之間任意編程。這樣，采用較低頻率的時(shí)鐘便可以降低功耗。對(duì)于鋰電池的直接輸出和電源轉(zhuǎn)換后得到的穩(wěn)壓輸出，MEMS時(shí)鐘提供兩個(gè)不同的系列，為不同要求提供選擇。

SiTime的32.768kHz時(shí)鐘器件內(nèi)部含有兩顆芯片—MEMS芯片和模擬IC芯片。MEMS芯片內(nèi)部含有一個(gè)諧振器(兩個(gè)音叉組合在一起，通過振動(dòng)改變音叉間的電容)。模擬(起振)IC內(nèi)部則具有復(fù)雜的電路(電荷泵、分頻器和存儲(chǔ)器等)。兩顆芯片采用塑封方式封裝在一起。

MEMS時(shí)鐘生產(chǎn)良率可達(dá)99%，尺寸可做到0.4mm×0.4mm。該產(chǎn)品的功耗僅為0.75μA，精度可達(dá)20ppm。通過PLL分頻電路，MEMS時(shí)鐘可以在32.768kHz~1Hz之間編程。石英晶振需要用到金屬外殼和陶瓷基座，而MEMS時(shí)鐘采用IC標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝制作，不會(huì)面臨年度缺貨的風(fēng)險(xiǎn)。并且，其尺寸可以做到1.5mm×0.8mm，厚度僅0.55mm。

石英晶體起振需要在器件外部額外搭配兩個(gè)電容，而使用SiTime的MEMS時(shí)鐘，在器件外部無需增加其他器件。這樣在PCB布局時(shí)。MEMS時(shí)鐘較石英器件可以減少85%的面積。MEMS時(shí)鐘在功耗上只有石英晶振的一半。在頻率的穩(wěn)定性上，MEMS時(shí)鐘與石英晶振在室溫下頻偏均為20ppm，但在整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)，石英晶振頻偏為160ppm，MEMS時(shí)鐘頻偏為100ppm。隨著器件老化，MEMS時(shí)鐘精度誤差僅為±3ppm(石英為±5ppm)。石英尺寸越小越易破碎，而MEMS時(shí)鐘則非常強(qiáng)壯，可以承受50kg的沖擊和70g的振動(dòng)。

另外，石英產(chǎn)業(yè)存在交貨上的問題，而SiTime是Fabless公司，只要投片，就能快速增加產(chǎn)能。石英花了60年才做出小型化產(chǎn)品，SiTime僅用了6、7年，就做出了比最小石英產(chǎn)品更小的產(chǎn)品；快速的創(chuàng)新能力在未來幾年還將做出更小的產(chǎn)品。