Super-TCXO 的崛起

作者：RICHARD COMERFORD，電子產(chǎn)品高級技術(shù)編輯

基于 MEMS 技術(shù)的新型溫度補償“晶體”振蕩器或 TCXO 即將上市。它們被稱為 Super-TCXO，是迄今為止可用的最小、最準確的低功耗/低頻定時解決方案。它們意義重大的關(guān)鍵在于它們在低頻范圍內(nèi)提供超小尺寸，范圍從 1 Hz 到 1 MHz，包括基本的 32 kHz。雖然 Super-TCXO 主要用于提高系統(tǒng)中的計時精度，但它們也可以替代一個或多個基于石英的設(shè)備，并改善面積、組件成本和功率。?

當今的時鐘需求

通常，TCXO 是一種溫度補償振蕩器。與諧振器/晶體或時鐘發(fā)生器相比，振蕩器在一個設(shè)備中包含諧振器和振蕩器電路（圖 1）。今天，石英晶體在非常小的封裝中不能提供低頻，因此不適合使用低頻時鐘的小型電池供電產(chǎn)品。然而，迅速興起的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和可穿戴領(lǐng)域是精密 32 kHz 參考時鐘的完美應(yīng)用。例如，典型的可穿戴應(yīng)用有一個很小的電池（通常 <300 mAHr）并且空間非常有限。低頻 Super-TCXO 的其他應(yīng)用包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（智能電表、電表、照明、安全）、消費電子產(chǎn)品（健康和健康監(jiān)視器、家庭自動化、便攜式音頻）和移動設(shè)備（平板電腦、電子閱讀器和電話）。?

圖 1：創(chuàng)建完整的振蕩器或 TCXO 需要有源和無源器件。

小尺寸是基于 MEMS 的振蕩器的固有優(yōu)勢。在石英晶體技術(shù)中，物理學規(guī)定頻率越低，晶體諧振器越大。然而，MEMS 諧振器沒有相同的限制。SiTime MEMS 諧振器的典型裸片尺寸為 0.4 x 0.4 mm，其質(zhì)量是典型石英晶體諧振器的 1/3,000。由于 SiTime 的 MEMS 諧振器（參見“第一款 Super-TCXO”，對面）完全封裝在硅中并在 CMOS 晶圓廠中制造，因此它們可以使用現(xiàn)代技術(shù)進行封裝，包括晶圓級芯片級封裝 (WLCSP)。 ?

超穩(wěn)定 (±5 ppm) Super-TCXO 的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它能夠比石英設(shè)備更精確地打開和關(guān)閉無線接口，從而最大限度地減少無線接口的開啟時間，從而延長電池壽命。因此，Super-TCXO 可以承擔各種計時功能，例如實時時鐘 (RTC) 或音頻子系統(tǒng)的參考，以及用于常見連接接口（例如藍牙、低藍牙）的所謂睡眠時鐘能源或 BLE 和 WiFi）。

例如，可穿戴設(shè)備通常需要兩個 32-kHz 參考時鐘：一個用于 BT/BLE 芯片的睡眠時鐘，一個用于 MCU/SOC 的 RTC。因為 Super-TCXO 是有源元件，它們可以輕松驅(qū)動兩個負載——這是諧振器無法做到的。因此，一個 Super-TCXO 可以替代多個石英 XO 或 XTAL，減少物料清單 (BOM)，同時節(jié)省空間和成本。有源 TCXO 的高驅(qū)動能力還意味著它可以在空間受限的板上提供靈活的布局。

睡眠和準確性

睡眠時鐘是當今低功耗便攜式設(shè)備省電的關(guān)鍵，它是在系統(tǒng)其余部分空閑、休眠或關(guān)閉時運行的參考時鐘。理想的睡眠時鐘頻率是 32 kHz，因為它消耗的功率最少，并且很容易以電子方式劃分為一秒以達到計時目的。消耗最少的功率尤其重要，因為大多數(shù)系統(tǒng)都要求此參考時鐘始終運行。需要驅(qū)動系統(tǒng) RTC 以便跟蹤時間，并且在包含無線連接的系統(tǒng)中，當無線子系統(tǒng)（例如藍牙、BLE、WiFi ) 未運行。

擁有準確的睡眠時鐘尤為重要。在連接狀態(tài)期間，無線子系統(tǒng)在循環(huán)睡眠場景中運行以節(jié)省電力，定期喚醒以接收來自中央或主系統(tǒng)的 ping。為了在準確的時間喚醒，外圍無線設(shè)備依賴于 32 kHz 睡眠時鐘的準確性。由于主從睡眠時鐘固有的不準確性，外圍設(shè)備必須提前喚醒，以避免錯過來自主設(shè)備的 ping。在這個早期的導通時間內(nèi)，會消耗功率，從而導致功率損失。因此，使用高精度 Super-TCXO（±5 ppm，而傳統(tǒng)石英晶體的 180 至 200 ppm）可以延長睡眠時間并顯著節(jié)省系統(tǒng)功耗。

完整性

一個組件成為整體一部分的能力——如果你愿意的話，它的完整性能力——對于它在當今高度集成的電子產(chǎn)品中的應(yīng)用至關(guān)重要?？纱┐?、物聯(lián)網(wǎng)和移動產(chǎn)品是推動小型化的應(yīng)用示例，這在很大程度上是通過子系統(tǒng)的模塊化來實現(xiàn)的。手機中的模塊包括電源管理（PMU、μDC-DC轉(zhuǎn)換器）、RF/FEM功率放大器、存儲/SSD和連接（BLE、WLAN）模塊；通過模塊化，每個都可以縮小大約 35% 到 90% 的尺寸。 ?

因為它們由兩個全硅芯片組成，采用芯片級封裝，所以 Super-TCXO 可以包覆成型并集成到系統(tǒng)級封裝 (SIP) 模塊中。此外，具有系統(tǒng)內(nèi)自動校準功能的 Super-TCXO 可以補償在組裝、回流、底部填充和/或包覆成型期間由板級應(yīng)力引起的頻率誤差。

最初，Super-TCXO 在多個溫度點上進行校準（修整），以通過有源溫度校正電路確保在 –40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性。此外，在系統(tǒng)組裝好并且印刷電路板準備好進行生產(chǎn)測試后，Super-TCXO 可以在最終系統(tǒng)測試期間自動校準。為此，Super-TCXO 應(yīng)用了一個 GPS 規(guī)范的精密 10 MHz 時鐘。它的時鐘與精確的 10-MHz 時鐘進行比較，從而消除了產(chǎn)生的誤差。自動校準通常需要 2 到 5 秒，這與生產(chǎn)系統(tǒng)測試的其余部分同時進行。自動校準后，典型頻率偏移小于±5 ppm。

第一個 Super-TXCO

第一個 Super-TCXO — SiTime ( www.sitime.com ) 的 SiT1566、SiT1568 和 SiT1576 32-kHz 振蕩器 — 采用 1.5 x 0.8 x 0.6-mm 封裝。這使它們的占地面積僅為 1.2 mm 2 — 比石英產(chǎn)品小 85% — 并使它們最薄 40%。此外，基于 MEMS 的振蕩器使用 TempFlat MEMS 技術(shù)，使其能夠在 –40°C 至 85°C 的工作范圍內(nèi)提供 ±5 ppm 的精度，從而實現(xiàn)天文臺級計時和最長的電池壽命。其中一個器件 SiT1568 還提供創(chuàng)新的系統(tǒng)內(nèi)自動校準功能，讓客戶能夠消除在系統(tǒng)組裝、回流、底部填充和包覆成型過程中由應(yīng)力引起的時序誤差。SiT1576 還可在 1 Hz 至 1 MHz 的范圍內(nèi)進行編程。

所有器件都具有可編程的溫度感應(yīng)更新率，在工業(yè)和移動應(yīng)用中，在存在快速熱梯度的情況下保持動態(tài)和整體穩(wěn)定性。MEMS IC 可以驅(qū)動多個負載以減少所需的組件數(shù)量。第一年老化為 ±1.5 ppm（是石英器件的兩倍），啟動時間為 300 ms（快 65%），其抖動性能支持音頻應(yīng)用。

審核編輯 黃昊宇
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