發布日期：2022-04-17 點擊率：22
對于消費類、汽車、工業、醫療、通信、物聯網 (IoT) 和企業等應用，系統設計人員必須考慮眾多的時鐘定時要求和性能特點，特別是在需要傳統標準支持的情況下。其中包括精度、準確度、穩定性、系統噪聲、電磁干擾 (EMI)、功耗、輸出類型（差分或單端）以及各種擴頻配置文件。設計人員面臨的挑戰是在外形尺寸小、功耗低的情況下滿足各種要求。
同時，他們還必須將成本和交付期保持在最低水平，而這對定制配置來說又極為不易，因為設計人員仍需按批量訂購，并且可能會有三到五周、甚至更長的提前期。這些延遲會減緩原型設計和開發，以及最終產品的生產進度。
為了滿足對更靈活的高性能定時解決方案的需求，設計人員可以使用可編程微機電系統 (MEMS) 振蕩器代替傳統晶體振蕩器。這些系統可滿足或超越質量和性能要求，但采用標準結構，可按定制要求進行調整。
本文簡要介紹可編程 MEMS 振蕩器及其主要元件。隨后，本文以 SiTime 器件為例，展示了如何選擇和使用這些器件來滿足各種應用的定時要求，同時減少提前期和降低整體成本。
在 2000 年代 MEMS 振蕩器出現之前，石英晶體諧振器在電路定時中占據主要地位。然而，由于快速創新以及硅工藝的運用所推動，MEMS 振蕩器成為強調質量、可靠性和穩健性的首選設計解決方案。雖然在許多應用中石英振蕩器仍然是一個很好的低成本選擇，但與高度集成的可編程 MEMS 器件相比，其設計更加復雜。例如，使用石英振蕩器的設計人員需要選擇正確的諧振器和負載電容器，以避免冷啟動失效和晶體不匹配等問題，同時還要盡力最小化 EMI。
可編程 MEMS 器件的即插即用性可避免或極大減少這些復雜情況。另外，其制造工藝簡單、標準，尺寸小巧，具有內在性能、可靠性和彈性特征。例如，使用大容量硅基 MEMS 制造工藝可最大限度地減少污染，從而降低每百萬零件不合格數 (DPPM)。這樣一來，即可降低成本，但對設計人員來說同樣重要的是，該工藝可提高質量和可靠性，提升平均無故障時間 (MTBF)。這可應用于 -55?C 至 +125?C 的極端環境溫度。
在尺寸方面，MEMS 振蕩器的質量很輕 — 標準 32 千赫茲 (kHz) MEMS 振蕩器采用芯片級封裝 (CSP) 交付，排針的大小意味著在沖擊和振動時非常堅固。另外，可編程 MEMS 振蕩器在諧振器和振蕩器電路之間沒有任何裸露的 PC 板連接，而且由于振蕩器電路針對電噪聲條件進行了優化，因此它們對 EMI 的敏感度要低得多。其結構和設計對電路板噪聲也不太敏感。
可編程 MEMS 器件含 MEMS 諧振器，并封裝有 CMOS IC。CMOS IC 包含模擬振蕩器控制和驅動電路，可產生所需的時鐘 (CLK) 輸出（圖 1）。該電路通常包括小數 N 分頻鎖相環 (PLL) 和相關分頻器、驅動器、穩壓器和溫度補償，以及通過靜電激勵驅動 MEMS 諧振器的電路。圖 1 所示的一次性可編程 (OTP) 存儲器可用于存儲可編程參數。
圖 1：MEMS 振蕩器的可編程性是由于封裝 MEMS 諧振器的 CMOS IC 中使用可配置模擬振蕩器電路，如左側所示（三種不同的類型，可根據應用進行選擇）。（圖片來源：SiTime）
石英晶體振蕩器根據所需 CLK 選擇或制造不同的零件，而可編程 MEMS 振蕩器是成批制造空白器件，可在現場按所需輸出頻率編程。除頻率外，其他可編程參數包括供電電壓、頻率穩定性和上升/下降時間等（圖 2）。
圖 2：各種可編程 MEMS 定時選項為設計人員提供了靈活性，可高效且經濟地滿足多代系統在各種應用中的需求。（圖片來源：SiTime）
這種參數微調功能允許設計人員對輸出頻率進行編程，以準確匹配下游 IC，例如微控制器、微處理器或片上系統 (SoC)。由于這種靈活性，不再需要使用外部緩沖器、分頻器或頻率轉換 PLL，可大大降低復雜性和開發時間。
雖然可編程 MEMS 振蕩器可大大減輕設計人員的負擔，但這種負擔并沒有消失。相反，它向上轉移至器件提供商，設計人員要依靠其獲取 MEMS、可編程模擬和系統專業技術，以確保實現可靠、穩定、可輕松編程的解決方案。
盡管靈活，但并不存在可涵蓋所有頻率的各種可能應用的“一體適用型”選項。不過，可編程 MEMS 振蕩器工藝和技術的掌握水平仍日臻成熟。例如，SiTime Elite Platform 的 SiT3521（圖 3）和 SiT3522 振蕩器能夠使用其 I2C/SPI 接口進行系統內編程 (ISP)，分別能從 1 MHz 編程至 340 MHz，從 340 MHz 編程至 725 MHz（增量為 1 Hz）。
圖 3：SiT3521（如圖）有一個數字 I2C/SPI 接口（右下），可從 1 MHz 編程至 340 MHz。其姊妹產品 SiT3522 可從 340 MHz 編程至 725 MHz。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
作為數字控制振蕩器 (DCO)，這些器件不需要數模轉換器 (DAC) 來驅動控制輸入，而且它們不受模擬噪聲耦合的影響。
另外，由于頻率牽引是通過 PLL 分數反饋分壓器實現，所以不會出現牽引非線性。使用分數反饋分壓器也意味著可拉性不受限制，因為它可能是電壓控制的石英晶體振蕩器。這樣一來，該器件有 16 種頻率牽引范圍選擇，從 6.25 ppm 至 3200 ppm。這兩種器件都有約 0.2 皮秒 (ps) 的超低相位抖動，指定可編程牽引范圍為 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。它們的頻率牽引分辨率低至 5 ppt，并支持三種信號類型：LVPECL、LVDS 和 HCSL。
這些器件可靈活適用于網絡、服務器存儲、廣播、電信以及測試和測量等應用。在此，由于要向后兼容傳統標準，如數字視頻傳輸或以太網，因此需要能適應多種頻率以及各種抖動和相位噪聲要求。
SiT3521 和 SiT3522 有兩種工作模式：“任意頻率”和 DCO。在任意頻率模式下，設計人員可將設備重新編程為其支持的任何頻率。要實現此功能，需要首先計算后分頻器、反饋和 mDriver 值，然后將其寫入器件（圖 4）。
圖 4：參考 I2C/SPI 振蕩器高級方框圖，SiT3521 和 SiT3522 的編程都是從計算后分頻器、反饋分壓器和 mDriver 值開始，且以這些計算的一個用戶輸入值作為目標輸出頻率。（圖片來源：SiTime）
這些計算要求設計人員輸入的唯一值是所需的輸出頻率。其他輸入值為分頻器的允許范圍。請注意，在對新值編程時，輸出會暫時禁用，因此設計人員需要考慮到這一點。
對于數字控制，這個過程更容易。根據器件的訂購代碼，器件上電到其標稱工作頻率和牽引范圍。從這一點來看，牽引范圍和輸出頻率都可以通過寫入其各自的控制寄存器來設置（左上，圖 4）。然而，還是需要考慮一些細微差別。例如，最大的輸出頻率變化受到牽引范圍限制的約束。牽引范圍指定為峰峰值偏差的一半，因此 200 ppm 峰峰值偏差被指定為 ±100 ppm 的牽引范圍。
從 16 個選項（±6.25 ppm 至 ±3200 ppm，如前所述）列表中選擇所需牽引范圍后，牽引范圍會被加載到相應的控制寄存器（Reg2[3:0]，圖 4）。如表 1 所示，牽引范圍會影響頻率精度。
| Reg2[3:0] | 編程的牽引范圍 | 頻率精度 |
|---|---|---|
| 0000b | ±6.25 ppm | 5x10-12 |
| 0001b | ±10 ppm | 5x10-12 |
| 0010b | ±12.5 ppm | 5x10-12 |
| 0011b | ±25 ppm | 5x10-12 |
| 0100b | ±50 ppm | 5x10-12 |
| 0101b | ±80 ppm | 5x10-12 |
| 0110b | ±100 ppm | 5x10-12 |
| 0111b | ±125 ppm | 5x10-12 |
| 1000b | ±150 ppm | 5x10-12 |
| 1001b | ±200 ppm | 5x10-12 |
| 1010b | ±400 ppm | 1x10-11 |
| 1011b | ±600 ppm | 1.4x10-11 |
| 1100b | ±800 ppm | 2.1x10-11 |
| 1101b | ±1200 ppm | 3.2x10-11 |
| 1110b | ±1600 ppm | 4.7x10-11 |
| 1111b | ±3200 ppm | 9.4x10-11 |
表 1：設計人員可以從 16 個可能的 SiT3521 和 SiT3522 牽引范圍中進行選擇，并將其加載到控制寄存器中。牽引范圍的選擇會影響頻率精度。（圖片來源：SiTime）
要改變輸出頻率，設計人員可寫入兩個控制字：首先寫入最不重要的字 (LSW) 到 Reg0[15:0]，然后寫入最重要的字 (MSW) 到 Reg0[15:0]。寫入 MSW 后，器件會更改其反饋分壓器的值，以適應新的頻率。此操作在 Tdelay 時間框架內完成（圖 5）。
圖 5：在 DCO 模式下，輸出頻率在寫入 MSW 后開始變化，在器件更改其反饋值（Tdelay 期間）并穩定 (Tsettle) 到新值 (F1) 的 1% 后結束。（圖片來源：SiTime）
分頻器值設定后，輸出會穩定在最終頻率值的 1% 以內。不同于“任何頻率”模式，頻率變化時輸出不會被禁用。不過，如果啟用了軟件輸出允許 (OE) 控制功能，設計人員可以選擇手動禁用頻率變化時的輸出。
要適應這些器件并確保其滿足應用要求，設計人員可以使用 valuation-board/91168">SiT6712EB 評估板進行實驗。該板支持帶差分信號輸出的 10 引腳 QFN 封裝 SiT3521 和 SiT3522，并允許全方位評估這些器件，包括信號完整性、相位噪聲、相位抖動和重新編程的簡易性。該板還支持 LVPECL、LVDS 和 HCSL 輸出信號類型，包括用于輸出頻率測量的探測點。
這里需要指出的是，這些是具有亞納秒級上升/下降時間的差分振蕩器。為了確保準確測量，必須采用測量最佳實踐，同時使用優質有源探針（圖 6）。
圖 6：使用 SiT6712EB 評估板時，務必采用高速測量最佳實踐，包括使用優質有源探針和合適的高速差分探頭。（圖片來源：SiTime）
為達到最佳效果，應使用帶寬 4 千兆赫 (GHz) 以上、負載電容 1 皮法拉 (pF) 以下的有源探針，并使用相匹配的高速差分探頭。配套的示波器應具有 4 GHz 或更高帶寬，以及 50 歐姆 (Ω) 輸入。
當然，目前有諸多系列的可編程 MEMS 振蕩器，有些適用于網絡、廣播和通信，其他則可能適用于汽車領域，如 AEC-Q100 認證，或注重較高工作溫度范圍等特點的工業領域。例如，SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作溫度為 -40?C 至 +85?C；33.333330 表示其標稱頻率單位為兆赫。
當然，也有適合特定應用的封裝和電壓選項。例如，SiT1532 是低電壓 CMOS (LVCMOS) 1.2 V 振蕩器，采用 UFBGA 封裝，尺寸為 1.54 mm x 0.84 mm，高度為 0.60 mm（圖 7）。針對手機和物聯網應用，其標稱頻率為 32.768 kHz。
圖 7：SiT1532 是一款采用 UFBGA 封裝的 LVCMOS 可編程 MEMS 振蕩器，可用于物聯網和手機應用。（圖片來源：SiTime）
在汽車領域，SiT8924AE 24 MHz 振蕩器具有非常高的工作溫度范圍（-55?C 至 ~125?C），采用小型無引線表面貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.50 mm x 2.00 mm，高度為 0.80 mm。
這些可編程 MEMS 器件系列繁多，標稱頻率都是現成即用，但都有相同的原始形式：空白器件。它們基本上是“現場可編程”的振蕩器，最初為空白器件，然后在工廠對常用頻率進行預編程，接著再由 Digi-Key 供貨。
若擁有多種多樣的振蕩器，則有助于將常用定時電路迅速推向市場，但并非每個設計人員都愿意進行振蕩器編程，盡管它相當簡單，但在特定情況下仍需定制配置。在過去，后者意味著定制配置從工廠發貨需要三到五周的提前期。Digi-Key 在自己的倉庫中安裝有專門用于 SiTime 零件的自動編程機，因此可解決這一問題（圖 8）。
圖 8：圖示為 Digi-Key 自動編程機，專門用于 SiTime 振蕩器，其編程插座中放置有空白振蕩器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
該機器目前有八個插座，每小時可編程 1500 個單元，將定制配置的提前期縮短到 24 至 48 小時，并且無最低訂購數量限制。
要利用此功能，設計人員可從 Digi-Key 技術論壇上的 SiTime 可編程振蕩器部分開始。提交申請后，將立即向 Digi-Key 的工程設計技術人員發送電子郵件。他們將驗證新零件編號，并將其添加到 Digi-Key 網站上。雖然網站會指導設計人員完成訂購過程，但熟悉 SiTime 振蕩器配置的命名法可能會有所幫助（圖 9）。
圖 9：圖示為 SiTime 可編程 MEMS 振蕩器的常用配置命名法，此處以 SiT2001 基本型號為例。（圖片來源：SiTime）
各種應用的系統設計人員需要靈活的電路定時解決方案，以滿足當前以及傳統和未來的系統規格和要求。設計人員選擇可滿足諸多要求的可編程 MEMS 器件，可免除多個晶體或 MEMS 振蕩器以及相關電路和設計的復雜性，從而節省空間、時間和成本。
如需定制設計，從工廠發貨產品，設計人員不必等待三到五周。利用專用于 SiTime 器件的編程機，Digi-Key 可在 24 至 48 小時內開始發貨定制配置。
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