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MEMS时钟让手机设计占位更小功耗更低

赵明灿?? EDNChina?? 2013年04月28日 ?? 收藏0
几乎所有的数码产品都会用到时钟器件。系统越复杂,所采用的时钟器件越多。在智能手机平板电脑等新兴应用中,所需要的器件在尺寸和功耗上都和传统产品有所区别。

回顾过去,晶体管被集成电路取代,照片胶卷被闪存卡代替,机械硬盘变更为固态硬盘。无论在哪个领域,产品做到更好的可靠性、更小的尺寸、更低的成本,新技术就必然取代旧技术。时钟器件也不例外,半导体制程也正在逐步取代传统的石英制程。

日前,在SiTime公司和艾睿电子公司联合举办的新产品发布会上,SiTime市场营销副总裁PiyushSevalia介绍说,时钟器件涉及到IC设计公司和石英封装工厂。过去这两个市场的供应商在技术上完全不相关,而SiTime公司同时具备这两种技术。

SiTime公司的硅MEMS时钟目前已经成功进入市场。其消费类应用包括数码相机、平板电脑、摄像机、电视和电子书等;设备类应用包括交换机、路由器、基站、云存储、服务器、固态硬盘等。今年该公司将会把MEMS技术引入智能手机及手表的应用中。

在设备类领域,厂商注重的是产品的效率和可靠性。很多云端和交换机设备厂商和SiTime合作,是因为MEMS时钟提供了更好的效率、可靠性以及功耗。在消费类领域,相对石英产品,MEMS技术在成本上具有足够优势,并且能够满足消费类电子对小型化的要求。另外,由于MEMS时钟可以任意编程,40个料号可以涵盖传统石英超过20万个料号。

在EMI方面,电磁干扰会影响时钟频率,硅MEMS时钟相对石英晶体的抗干扰能力要强50倍。所有电路板上的器件都具有一定噪声,会影响时钟信号的品质。用相位噪声测量时钟的品质,硅MEMS时钟比石英晶体品质好10倍。在振动情况下,石英器件会因此而影响精度。基站若架设在高铁旁边,振动会使时钟器件发生很大频偏。MEMS时钟在抗振动方面好于石英30倍。用平均无故障时间(MTBF)衡量,MEMS时钟的可靠性比石英晶体好15倍。

在手机和平板等移动设备上,TCXO、32.768kHz时钟及MHz谐振器这三种器件都会用到。TCXO会在手机的GPS和射频部分用到。所有的手机和平板电脑上都会采用一到两颗32.768kHz时钟进行计时。MHz谐振器则会根据智能手机和平板电脑的不同应用(应用处理器、Wi-Fi、NFC及USB等),采用2颗~4颗提供参考时钟。

石英晶振由于体积限制,无法做出1Hz的产品,而MEMS时钟则可以在1Hz~32.768kHz之间任意编程。这样,采用较低频率的时钟便可以降低功耗。对于锂电池的直接输出和电源转换后得到的稳压输出,MEMS时钟提供两个不同的系列,为不同要求提供选择。

SiTime的32.768kHz时钟器件内部含有两颗芯片—MEMS芯片和模拟IC芯片。MEMS芯片内部含有一个谐振器(两个音叉组合在一起,通过振动改变音叉间的电容)。模拟(起振)IC内部则具有复杂的电路(电荷泵、分频器和存储器等)。两颗芯片采用塑封方式封装在一起。

MEMS时钟生产良率可达99%,尺寸可做到0.4mm×0.4mm。该产品的功耗仅为0.75μA,精度可达20ppm。通过PLL分频电路,MEMS时钟可以在32.768kHz~1Hz之间编程。石英晶振需要用到金属外壳和陶瓷基座,而MEMS时钟采用IC标准的塑料封装制作,不会面临年度缺货的风险。并且,其尺寸可以做到1.5mm×0.8mm,厚度仅0.55mm。

石英晶体起振需要在器件外部额外搭配两个电容,而使用SiTime的MEMS时钟,在器件外部无需增加其他器件。这样在PCB布局时。MEMS时钟较石英器件可以减少85%的面积。MEMS时钟在功耗上只有石英晶振的一半。在频率的稳定性上,MEMS时钟与石英晶振在室温下频偏均为20ppm,但在整个工业级温度范围内,石英晶振频偏为160ppm,MEMS时钟频偏为100ppm。随着器件老化,MEMS时钟精度误差仅为±3ppm(石英为±5ppm)。石英尺寸越小越易破碎,而MEMS时钟则非常强壮,可以承受50kg的冲击和70g的振动。

另外,石英产业存在交货上的问题,而SiTime是Fabless公司,只要投片,就能快速增加产能。石英花了60年才做出小型化产品,SiTime仅用了6、7年,就做出了比最小石英产品更小的产品;快速的创新能力在未来几年还将做出更小的产品。

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MEMS时钟? 石英晶振?

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