簡介

手機、計算機、收音機、手表和許多其他設備的成功都離不開電子振蕩器。振蕩器可生成精確穩定的輸出頻率，進而產生定時脈沖并同步事件。

便攜式和可穿戴電子產品的興起，推動了降低包括振蕩器在內的各類電子元件的能耗和占地面積的需求。基于微機電系統（MEMS）技術的振蕩器將精確的輸出頻率和低功耗相結合，在時鐘電路中被廣泛采納。

本文將介紹MEMS技術、MEMS振蕩器以及它們為什么能在便攜式和非便攜式應用中取代傳統的解決方案。

傳統振蕩器類型概述

在MEMS器件出現之前，設計人員會根據應用的具體需求，通過多種方法來生成時鐘信號。

成本最低的選擇是RC振蕩器，它使用無源元件網絡和放大器，通過正反饋電路產生振蕩信號。例如，相移振蕩器使用三個累積相移為180°的級聯RC，在添加到運放周圍的反饋回路時，會產生正反饋，從而產生振蕩輸出。

集成硅振蕩器也采用了類似的電路，但所有的元件都集成在一個芯片上，也可以提供更精確的操作和更高的溫度性。硅振蕩器可在出廠前預置工作頻率。例如，Maxim Integrated MAX7375出廠時的預置工作頻率為600 kHz至9.99 MHz，并具有2%的初始精度和±50ppm/℃溫漂。

對于精密應用，傳統的解決方案是采用基于振蕩石英晶體的電路。這是一種壓電器件；當對其施加電壓時，就可以將它看作是一個具有精確諧振頻率的RLC電路。陶瓷諧振器采用類似的工作原理，但其振動元件由鈦酸鉛鋯 (PZT)等陶瓷材料制成。

為了制作振蕩器，需要將晶體或諧振器與以共振頻率驅動的模擬電路結合起來。許多嵌入式處理器都有內部電路，可以輕松容納任何類型的器件。晶振模塊也可以將晶體和支持電路封裝在一起。

表1對各種傳統振蕩器進行了對比。

表1: 傳統振蕩器對比 (來源：Maxim)

MEMS技術與振蕩器

MEMS技術采用光刻、沉積和蝕刻等標準半導體制造工藝，生產出從小于1微米到幾毫米不等的微型機電元件。

1965年，美國西屋電氣公司的哈維·納森森發明了第一款MEMS器件，這是一種用于微電子固態無線電的微型機械調諧器。20世紀90年代，MEMS壓力傳感器和加速度計開始廣泛應用于汽車安全氣囊和醫用呼吸器等領域，推動了MEMS技術的蓬勃發展，并降低了MEMS技術成本。

MEMS諧振器結構小巧 (0.1mm或更小)，用于在靜電激勵下以高頻振動。制造時，首先在絕緣體上的硅 (SOI) 層中蝕刻諧振器結構，然后通過用氧化物填充溝槽來對晶體表面進行平坦處理。接下來，形成接觸孔，以便進行電氣連接。最后，用氫氟酸除去氧化物，以產生具有振動能力的獨立諧振器梁。

圖1：根據所需頻率不同，MEMS諧振器的尺寸和形狀也會有所不同 (來源：SiTime)

MEMS諧振器的諧振頻率與其尺寸成反比，現有kHz和MHz頻率供選擇。kHz級諧振器針對低功耗進行了優化，通常用于實時時鐘等計時應用，或為電源管理系統提供睡眠和喚醒功能。MHz級諧振器用于為對數據傳輸速度要求極高的串行和并行通信提供精確的參考。

如圖2所示，MEMS振蕩器結合了MEMS諧振器裸片和可編程振蕩器IC；諧振器由模擬振蕩器IC上的電路塊驅動。諧振器維持電路驅動諧振器產生機械振蕩。兩個裸片以堆疊裸片或倒裝芯片的方式安裝在一起，并以標準或芯片級封裝形式封裝起來。

圖2：MEMS振蕩器在單個封裝中集成了諧振器和單獨的振蕩器裸片。對于精密應用，通常需要集成溫度補償 。 (來源：SiTime)

輸出頻率通過N分頻鎖相環 (PLL) 模塊進行設置，該模塊產生的輸出信號是MEMS諧振器頻率的N分頻。片上一次性可編程 (OTP) 存儲器用于存儲配置參數。許多器件還具備可配置驅動強度的輸出驅動器，用于匹配阻抗或減少輻射。

對于精密定時應用，MEMS振蕩器通常可通過片上溫度傳感器進行溫度補償。

MEMS封裝形式

與其他半導體器件一樣，MEMS振蕩器有多種封裝形式。對于正在尋找替代石英振蕩器的設計者來說，采用兼容2×1.2mm (2012) SMD封裝的MEMS振蕩器絕對是一個很好的選擇。但由于MEMS振蕩器需要兩個額外的電源和接地引腳，所以特意將這些引腳放置在現有SMD端蓋之間，如圖3所示。

圖3：除了傳統半導體封裝，MEMS振蕩器還提供SMD和CSP兩種封裝形式 (來源：SiTime)

此外，利用芯片級封裝 (CSP) 技術，MEMS振蕩器可以與ASIC或微控制器等其它器件封裝在一起。

MEMS振蕩器性能

早期的MEMS諧振器不夠穩定，不能用作定時基準，但目前的器件可以實現低至±5ppm的穩定性。對于便攜式應用，低功耗器件還可實現±20ppm的頻率容差和±100ppm的穩定性。

半導體封裝的使用使MEMS振蕩器能夠承受高強度的沖擊和振動，對于便攜式和可穿戴設備（如數碼相機、手機和手表）等容易掉落的設備，更是有著非凡的意義。

MEMS振蕩器產品示例

一些制造商提供低功耗MEMS振蕩器和支持產品。例如，SiTime的SiT1533是一款超小型超低功耗32.768kHz振蕩器，針對移動和其他電池供電應用進行了優化。SiT1533的最大工作電流僅為1.4μA，使用推薦布局時，與現有2012 XTAL引腳和封裝兼容。該器件的工廠可編程輸出可降低電壓擺幅，從而將功耗降至最低。1.2V-3.63VDC的工作電壓使其適用于采用低電壓紐扣電池或超級電容器作為備用電池的移動應用。

Microchip的DSC1001是基于MEMS的振蕩器，在廣泛的電源電壓和溫度范圍內具有出色的抗抖動性和低至10ppm的穩定性。該器件的工作頻率范圍為1MHz至150MHz,電源電壓為1.8至3.3VDC，溫度為-40oC至105oC。

MEMS振蕩器可在極寬的頻率范圍內工作。例如，AbraconASTMK-0.001kHz可以低至1Hz的頻率運行，容差為20ppm，電流消耗為1.4μA。而IDT的4H系列超低抖動MEMS振蕩器卻可以625MHz的頻率運行。

使用MEMS振蕩器進行設計

為了與高頻時鐘保持一致，設計人員應遵循最佳實踐布局技術，例如限制走線長度、注意布線、限制過孔的使用以及使用接地層等等。

此外，正確使用電容器還可提供以下功能：
去耦：快速開關器件 (如時鐘振蕩器) 可能會對電源產生很大的影響，導致電壓下降。靠近電源放置去耦電容可以充當本地儲存器，以確保始終有足夠的電荷。
旁路：為了限制系統傳播的噪聲量，需要通過旁路電容來提供低阻抗路徑，將這種瞬態能量分流到地。
降低電源噪聲：在大多數應用中，電源電壓和電源回路會之間接入一個0.1μF電容，將大部分電源噪聲分流到地。為了進一步降低噪聲，設計人員還可以運用RC或LC電源濾波策略。

降低EMI的方法

隨著處理器速度的提高以及在更小空間中容納更多設備需求的增多，使電磁兼容性 (EMC) 變得日益重要。

某個設備生成的信號可能會耦合到其他設備中，從而導致錯誤或發生故障。振蕩器時鐘通常是電磁干擾 (EMI) 的主要來源，因為它由具有高頻諧波的重復方波組成，并且通常廣泛分布在整個電路板上。

濾波、屏蔽和良好的布局可能會限制EMI，但會增加成本并占用電路板空間。另一種方法是通過隨時間緩慢調制時鐘頻率來減少時鐘產生的噪聲，這種方法降低了基頻和諧波頻率中的峰值頻譜能量，有助于進行FCC認證，這種認證方法使用特定帶寬內的峰值功率來確定EMI。

可編程擴頻MEMS振蕩器 (如SiT9003) 通過用32kHz三角波調制其PLL來降低EMI，從而改變輸出中心頻率。擴頻量可由用戶選擇；例如，在98MHz到100MHz之間調節輸出頻率可以使平均EMI降低13dB。

結論

MEMS振蕩器擁有低功耗、小尺寸、高性能和物理穩健性等諸多出色的性能，成為了眾多應用的理想選擇，特別是便攜式和可穿戴電子產品。

利用標準半導體制造和封裝方法的能力意味著，MEMS振蕩器的成本和性能將繼續得以優化，進而占領傳統上采用石英晶體和陶瓷諧振器的應用市場。

審核編輯：郭婷