取代石英晶體的MEMS振蕩器和全硅振蕩器

“時鐘和振蕩器是所有電子系統(tǒng)的心跳”，正如Silicon Labs公司副總裁Dave Bresemann所說的，振蕩器可謂電子系統(tǒng)正常運(yùn)行的根本。

目前，絕大部分高性能電子系統(tǒng)的計(jì)時都是由石英晶體提供的。但是，隨著IC的尺寸越來越小，由于不是采用硅材料，這些諧振器因?yàn)闊o法遵循摩爾定律而大大制約了計(jì)時方案縮小尺寸及降低成本。

是否有更小巧、更廉價(jià)的方案為電子系統(tǒng)提供更加穩(wěn)健的心跳？答案是肯定的。近年來嶄露頭角的MEMS振蕩器由于采用了CMOS工藝而更加易于集成并縮小尺寸，其市場已經(jīng)初具規(guī)模；而今年陸續(xù)推出的全硅振蕩器也瞄準(zhǔn)了100MHz以下的大批量低頻振蕩器市場。

MEMS振蕩器市場穩(wěn)步增長
如圖1所示，德國Wicht技術(shù)咨詢公司（WTC）在今年3月預(yù)測，2012年MEMS振蕩器的全球市場規(guī)模將達(dá)到1億4千萬美元。2007年的市場規(guī)模為250萬美元，今后將以年均120%以上的速度高速增長，其主要原因是許多領(lǐng)域?qū)⒂肕EMS振蕩器替換石英振蕩器。

圖1 MEMS振蕩器的全球市場規(guī)模（2007-2012）

目前，制造MEMS振蕩器的主要廠商有SiTime、Discera及Epson Toyocom等。SiTime和Discera制造硅材料的MEMS振蕩器，而Epson Toyocom的MEMS振蕩器是采用被該公司稱為“QMEMS”的工藝制造的石英MEMS振蕩器。

除SiTime、Discera和Silicon Clocks幾家美國公司外，歐洲的恩智浦半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體等大企業(yè)都在投資MEMS振蕩器的開發(fā)。另外，芬蘭技術(shù)研究中心VTT、MEMS公司VTI及精工愛普生（Seiko Epson）等也在開發(fā)MEMS振蕩器。

與采用硅材料的MEMS同理，以石英為原料進(jìn)行精微加工（光刻）的小型化、高性能的晶體元器件被定義為QMEMS（Quartz + MEMS）。石英MEMS振蕩器正開始取代手機(jī)及GPS中帶溫度補(bǔ)償電路的晶體振蕩器（TCXO）。另一方面，硅材料的MEMS振蕩器與溫度穩(wěn)定性指標(biāo)比較容易滿足的晶體振蕩器（XO）展開了競爭。最先采用硅材料MEMS振蕩器的產(chǎn)品有數(shù)字電視、數(shù)碼攝像機(jī)以及車載后視攝像頭等。

WTC預(yù)計(jì)，2012年之前，由于對相位噪聲和溫度補(bǔ)償相關(guān)的性能要求較為苛刻，硅材料的MEMS振蕩器很難在TCXO市場上普及。MEMS振蕩器在替代石英晶體和鎖相環(huán)IC的SoC方案里最有可能實(shí)現(xiàn)增長。

MEMS既能作為可與CMOS集成的單芯片，又可在一個晶圓上構(gòu)造多個諧振器成為SoC計(jì)時方案。這將帶來更少的鎖相環(huán)、更好的抖動性能以及更低的功耗和成本。

MEMS并不是能實(shí)現(xiàn)SoC計(jì)時的唯一方案，采用最新的工藝的硅材料LC振蕩器技術(shù)，Mobius Microsystems等公司也致力于推出單芯片的解決方案以取代石英晶體和鎖相環(huán)IC。

全硅振蕩器技術(shù)不斷突破
采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的全硅振蕩器的推出使去掉被稱為主流電子應(yīng)用中最后一個非CMOS器件的石英振蕩器成為可能。

采用Mobius Microsystems專利的CMOS諧波振蕩器（CHO）技術(shù)，今年4月推出的MM8511 振蕩器用一片單片CMOS裸片同時取代了石英晶體和鎖相環(huán)IC。無須外接諧振器，該裸片就可生成擴(kuò)頻時鐘。去掉石英晶體增強(qiáng)了可靠性，而去掉鎖相環(huán)后能降低時鐘抖動，并獲得更低的相位噪聲和功耗。

Silicon Labs今年9月推出的全CMOS振蕩器Si500與MM8511相比，在頻率范圍和抖動性能等方面又有提升。Si500能提供原廠設(shè)定的???? 0.9～200 MHz間的任何頻率，100MHz抖動小于0.8ps，可與石英振蕩器媲美。

Si500采用創(chuàng)新的混合信號模擬電路，能補(bǔ)償因?yàn)椴僮鳒囟确秶?、起始頻率準(zhǔn)確性、供應(yīng)電壓變化和輸出負(fù)載改變所造成的頻率差異。值得一提的是，Si500能提供與石英振蕩器相當(dāng)?shù)臏囟确€(wěn)定性，支持±100～±150×10-6的頻率穩(wěn)定性選擇，并拓展了與石英振蕩器的兼容性。此外，Si500不僅可支持CMOS和SSTL，還可以支持差分時鐘輸出（LVPECL、LVDS、HCSL)，提供了更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)彈性，并提升了信號完整性。Si500是支持CMOS雙輸出模式的振蕩器，單一元器件可在相同的頻率上產(chǎn)生兩個輸出時鐘，因此便不再需要額外的時鐘緩沖器。

如圖2所示，傳統(tǒng)的石英振蕩器依賴機(jī)械式諧振器進(jìn)行振蕩，因此極易受到撞擊和震動的影響，此外，還必須進(jìn)行密封組裝，以防止晶體受到污染，但這會影響器件的性能。而全硅振蕩器沒有移動元器件，所以不易受到撞擊及震動的影響，且不會受到污染，因而采用塑料封裝無須密封，使得啟動及工作更為可靠。

圖2 石英振蕩器和全硅振蕩器的比較

以Si500為例，因其無須針對每一個頻率進(jìn)行切割并調(diào)諧的石英諧振器，轉(zhuǎn)而使用超低相位噪聲的硅振蕩器，可以采用標(biāo)準(zhǔn)而大量的IC工藝制造。這些元器件為原廠設(shè)定，無須傳統(tǒng)石英振蕩器復(fù)雜的制造流程，從而大幅縮短了交貨時間，將原先的12周起縮短至2周。

進(jìn)軍傳統(tǒng)晶振市場
如圖3所示，Silicon Labs公司資深營銷經(jīng)理James Wilson先生把振蕩器市場分為四個層次。分別為小批量高端市場（包括恒溫晶體振蕩器OCXO和高端溫度補(bǔ)償晶體振蕩器TCXO）、高頻市場（頻率大于100MHz的晶體振蕩器和壓控振蕩器VCXO）、大批量低頻市場（頻率小于100MHz的晶體振蕩器）以及更大批量的計(jì)時市場（包括手機(jī)用TCXO、GPS用TCXO、晶體和諧振器）。

圖3 振蕩器市場劃分

全硅振蕩器的頻率范圍和性能優(yōu)勢使其能大舉進(jìn)入包括消費(fèi)類、計(jì)算、成像、存儲和工業(yè)控制領(lǐng)域的大批量低頻晶振市場，這一市場總價(jià)值為6億美元。而MEMS振蕩器的適用范圍更廣，石英MEMS振蕩器開始替代手機(jī)和GPS中采用的TCXO，而硅材料MEMS振蕩器則能夠提供更高精度的計(jì)時，在千兆位以太網(wǎng)、光纖通道和SATA/SAS等設(shè)備中取代傳統(tǒng)的石英振蕩器。