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“CMOS+MEMS”技术重新定义频率控制

丛秋波?? 2013年08月27日 ?? 收藏0
日前,Silicon Labs(芯科实验室)公司推出目前业界最高集成度、基于Silicon Labs专利的CMEMS(CMOS和MEMS的字母缩写)技术的Si50x振荡器。新型Si50x振荡器旨在替代需要低成本、低功耗和批量生产的工业、嵌入式和消费类电子应用中的通用型石英晶体振荡器(XO)。Silicon Labs公司副总裁暨时序产品总经理Mike Petrowski表示,首创的CMOS+MEMS集成架构与Silicon Labs经过市场验证的混合信号专业经验相结合,将会大幅改写频率控制产业。

频率控制技术的演进

Mike Petrowski在接受本刊记者采访时说,频率控制技术经历过三个技术演进过程。一是石英振荡器。每年30亿美元的频率控制市场已经由石英晶体和基于石英的振荡器占据了几十年,几乎所有类型的电子设备都依赖一小片由机器加工的石英岩的作用去生成至少一种可能的操作频率。然而基于石英的频率控制设计仍有很多限制,例如需要更专业化和复杂生产流程(几周到几个月的交付时间),基于陶瓷的特殊封装需要密闭可靠的腔体以及片外匹配电容,对环境因素敏感,尤其是热力、冲击和振动,都有可能导致现场故障,这将限制其未来的发展,现在石英振荡器较多应用在高端市场。

二是双晶片(two-die)MEMS振荡器。在过去的五年里,微机电系统(MEMS)解决方案开始稳步进入由石英晶体解决方案垄断上百年的频率控制和定时产品市场。MEMS技术最初源于对更小外形尺寸的追求,目前已呈现出其他显著的优势,包括交付时间、供应稳定性、产品可靠性、器件尺寸和性价比等,这些优势使基于MEMS的振荡器占有部分基于石英的频率控制市场。

尽管MEMS谐振器技术已经解决了石英晶体的基本缺陷,但刚刚进入竞争激烈的频率控制市场,它也存在一些缺点。首先,MEMS器件小于石英晶体,所以无法提供更多能量到振荡周期。这意味着,在相同的频率下,转换效率低,从而造成信噪比较差。第二,传统的MEMS材料,例如单晶硅、多晶硅,甚至聚硅锗,随温度变化的漂移显著,这会带来信号完整性和热滞问题。

三是CMEMS单芯片振荡器。随着基于Silicon Labs专利的“CMOS+MEMS”技术的出现,Silicon Labs又一次为频率控制市场带来重要的技术进步。CMEMS是一种经过验证的技术,CMEMS采用微机械半导体谐振器取代XO中的晶体谐振元件,它能够把高性能MEMS直接构建在标准的具有先进工艺节点的CMOS晶圆(<180nm)上。结合Silicon Labs混合信号的专业知识,CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出,并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定,解决了热滞或信号完整性问题,具有高度耐冲击和振动能力和10年的±20ppm频率稳定性保证。CMEMS单芯片振荡器将会成为晶体振荡器的替代解决方案。

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第1页:频率控制技术的演进

第2页:新型Si50x CMEMS振荡器架构解析及种类



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