可编程 MEMS 振荡器解决方案
作者：Patrick Mannion
对于消费类、汽车、工业、医疗、通信、物联网 （IoT） 和企业等应用，系统设计人员必须考虑众多的时钟定时要求和性能特点，特别是在需要传统标准支持的情况下。其中包括精度、准确度、稳定性、系统噪声、电磁干扰（EMI）、功耗、输出类型（差分或单端）以及各种扩频配置文件。设计人员面临的挑战是在外形尺寸小、功耗低的情况下满足各种要求。
同时，他们还必须将成本和交付期保持在最低水平，而这对定制配置来说又极为不易，因为设计人员仍需按批量订购，并且可能会有三到五周、甚至更长的提前期。这些延迟会减缓原型设计和开发，以及最终产品的生产进度。
为了满足对更灵活的高性能定时解决方案的需求，设计人员可以使用可编程微机电系统 （MEMS） 振荡器代替传统晶体振荡器。这些系统可满足或超越质量和性能要求，但采用标准结构，可按定制要求进行调整。
本文简要介绍可编程 MEMS 振荡器及其主要元件。随后，本文以 SiTIme 器件为例，展示了如何选择和使用这些器件来满足各种应用的定时要求，同时减少提前期和降低整体成本。
为什么使用可编程 MEMS 振荡器？
在 2000 年代 MEMS 振荡器出现之前，石英晶体谐振器在电路定时中占据主要地位。然而，由于快速创新以及硅工艺的运用所推动，MEMS 振荡器成为强调质量、可靠性和稳健性的首选设计解决方案。虽然在许多应用中石英振荡器仍然是一个很好的低成本选择，但与高度集成的可编程 MEMS 器件相比，其设计更加复杂。例如，使用石英振荡器的设计人员需要选择正确的谐振器和负载电容器，以避免冷启动失效和晶体不匹配等问题，同时还要尽力最小化 EMI。
可编程 MEMS 器件的即插即用性可避免或极大减少这些复杂情况。另外，其制造工艺简单、标准，尺寸小巧，具有内在性能、可靠性和弹性特征。例如，使用大容量硅基 MEMS 制造工艺可最大限度地减少污染，从而降低每百万零件不合格数 （DPPM）。这样一来，即可降低成本，但对设计人员来说同样重要的是，该工艺可提高质量和可靠性，提升平均无故障时间 （MTBF）。这可应用于 -55˚C 至 +125˚C 的极端环境温度。
在尺寸方面，MEMS 振荡器的质量很轻 — 标准 32 千赫兹（kHz） MEMS 振荡器采用芯片级封装 （CSP） 交付，排针的大小意味着在冲击和振动时非常坚固。另外，可编程 MEMS 振荡器在谐振器和振荡器电路之间没有任何裸露的 PC 板连接，而且由于振荡器电路针对电噪声条件进行了优化，因此它们对 EMI 的敏感度要低得多。其结构和设计对电路板噪声也不太敏感。
可编程 MEMS 振荡器的元件
可编程 MEMS 器件含 MEMS 谐振器，并封装有 CMOS IC。CMOS IC 包含模拟振荡器控制和驱动电路，可产生所需的时钟（CLK） 输出（图 1）。该电路通常包括小数 N 分频锁相环 （PLL）和相关分频器、驱动器、稳压器和温度补偿，以及通过静电激励驱动 MEMS 谐振器的电路。图 1 所示的一次性可编程 （OTP） 存储器可用于存储可编程参数。
图 1：MEMS 振荡器的可编程性是由于封装 MEMS 谐振器的 CMOS IC 中使用可配置模拟振荡器电路，如左侧所示（三种不同的类型，可根据应用进行选择）。（图片来源：SiTIme）
石英晶体振荡器根据所需 CLK 选择或制造不同的零件，而可编程 MEMS 振荡器是成批制造空白器件，可在现场按所需输出频率编程。除频率外，其他可编程参数包括供电电压、频率稳定性和上升/下降时间等（图 2）。
图 2：各种可编程 MEMS 定时选项为设计人员提供了灵活性，可高效且经济地满足多代系统在各种应用中的需求。（图片来源：SiTIme）
这种参数微调功能允许设计人员对输出频率进行编程，以准确匹配下游 IC，例如微控制器、微处理器或片上系统（SoC）。由于这种灵活性，不再需要使用外部缓冲器、分频器或频率转换 PLL，可大大降低复杂性和开发时间。
虽然可编程 MEMS 振荡器可大大减轻设计人员的负担，但这种负担并没有消失。相反，它向上转移至器件提供商，设计人员要依靠其获取 MEMS、可编程模拟和系统专业技术，以确保实现可靠、稳定、可轻松编程的解决方案。
可编程 MEMS 解决方案
尽管灵活，但并不存在可涵盖所有频率的各种可能应用的“一体适用型”选项。不过，可编程 MEMS 振荡器工艺和技术的掌握水平仍日臻成熟。例如，SiTIme Elite Platform 的 SiT3521（图 3）和 SiT3522 振荡器能够使用其 I2C/SPI 接口进行系统内编程 （ISP），分别能从 1 MHz 编程至 340 MHz，从 340 MHz 编程至 725 MHz（增量为 1 Hz）。
图 3：SiT3521（如图）有一个数字 I2C/SPI 接口（右下），可从 1 MHz 编程至 340 MHz。其姊妹产品 SiT3522 可从 340 MHz 编程至 725 MHz。（图片来源：Digi-Key Electronics）
作为数字控制振荡器 （DCO），这些器件不需要数模转换器 （DAC） 来驱动控制输入，而且它们不受模拟噪声耦合的影响。
另外，由于频率牵引是通过 PLL 分数反馈分压器实现，所以不会出现牵引非线性。使用分数反馈分压器也意味着可拉性不受限制，因为它可能是电压控制的石英晶体振荡器。这样一来，该器件有 16 种频率牵引范围选择，从 6.25 ppm 至 3200 ppm。这两种器件都有约 0.2 皮秒 （ps） 的超低相位抖动，指定可编程牵引范围为 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。它们的频率牵引分辨率低至 5 ppt，并支持三种信号类型：LVPECL、LVDS 和 HCSL。
这些器件可灵活适用于网络、服务器存储、广播、电信以及测试和测量等应用。在此，由于要向后兼容传统标准，如数字视频传输或以太网，因此需要能适应多种频率以及各种抖动和相位噪声要求。
使用 SiT3521 和 SiT3522 可编程 MEMS 振荡器
SiT3521 和 SiT3522 有两种工作模式：“任意频率”和 DCO。在任意频率模式下，设计人员可将设备重新编程为其支持的任何频率。要实现此功能，需要首先计算后分频器、反馈和 mDriver 值，然后将其写入器件（图 4）。
图 4：参考 I2C/SPI 振荡器高级方框图，SiT3521 和 SiT3522 的编程都是从计算后分频器、反馈分压器和 mDriver 值开始，且以这些计算的一个用户输入值作为目标输出频率。（图片来源：SiTime）
这些计算要求设计人员输入的唯一值是所需的输出频率。其他输入值为分频器的允许范围。请注意，在对新值编程时，输出会暂时禁用，因此设计人员需要考虑到这一点。
对于数字控制，这个过程更容易。根据器件的订购代码，器件上电到其标称工作频率和牵引范围。从这一点来看，牵引范围和输出频率都可以通过写入其各自的控制寄存器来设置（左上，图 4）。然而，还是需要考虑一些细微差别。例如，最大的输出频率变化受到牵引范围限制的约束。牵引范围指定为峰峰值偏差的一半，因此 200 ppm 峰峰值偏差被指定为 ±100 ppm 的牵引范围。
从 16 个选项（±6.25 ppm 至 ±3200 ppm，如前所述）列表中选择所需牵引范围后，牵引范围会被加载到相应的控制寄存器（Reg2［3:0］，图 4）。如表 1 所示，牵引范围会影响频率精度。
Reg2［3:0］编程的牵引范围频率精度
表 1：设计人员可以从 16 个可能的 SiT3521 和 SiT3522 牵引范围中进行选择，并将其加载到控制寄存器中。牵引范围的选择会影响频率精度。（图片来源：SiTime）
要改变输出频率，设计人员可写入两个控制字：首先写入最不重要的字 （LSW） 到 Reg0［15:0］，然后写入最重要的字 （MSW） 到 Reg0［15:0］。写入 MSW 后，器件会更改其反馈分压器的值，以适应新的频率。此操作在 Tdelay 时间框架内完成（图 5）。
图 5：在 DCO 模式下，输出频率在写入 MSW 后开始变化，在器件更改其反馈值（Tdelay 期间）并稳定 （Tsettle） 到新值 （F1） 的 1% 后结束。（图片来源：SiTime）
分频器值设定后，输出会稳定在最终频率值的 1% 以内。不同于“任何频率”模式，频率变化时输出不会被禁用。不过，如果启用了软件输出允许 （OE） 控制功能，设计人员可以选择手动禁用频率变化时的输出。
要适应这些器件并确保其满足应用要求，设计人员可以使用 SiT6712EB 评估板进行实验。该板支持带差分信号输出的 10 引脚 QFN 封装 SiT3521 和 SiT3522，并允许全方位评估这些器件，包括信号完整性、相位噪声、相位抖动和重新编程的简易性。该板还支持 LVPECL、LVDS 和 HCSL 输出信号类型，包括用于输出频率测量的探测点。
这里需要指出的是，这些是具有亚纳秒级上升/下降时间的差分振荡器。为了确保准确测量，必须采用测量最佳实践，同时使用优质有源探针。
使用 SiT6712EB 评估板时，务必采用高速测量最佳实践，包括使用优质有源探针和合适的高速差分探头。
为达到最佳效果，应使用带宽 4 千兆赫 （GHz）以上、负载电容 1 皮法拉 （pF） 以下的有源探针，并使用相匹配的高速差分探头。配套的示波器应具有 4 GHz 或更高带宽，以及 50 欧姆 （Ω） 输入。
面向应用的现成即用可编程振荡器
当然，目前有诸多系列的可编程 MEMS 振荡器，有些适用于网络、广播和通信，其他则可能适用于汽车领域，如 AEC-Q100 认证，或注重较高工作温度范围等特点的工业领域。例如，SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作温度为 -40˚C 至 +85˚C；33.333330 表示其标称频率单位为兆赫。
当然，也有适合特定应用的封装和电压选项。例如，SiT1532 是低电压 CMOS （LVCMOS） 1.2 V 振荡器，采用 UFBGA 封装，尺寸为 1.54 mm x 0.84 mm，高度为 0.60 mm（图 7）。针对手机和物联网应用，其标称频率为 32.768 kHz。
SiT1532 是一款采用 UFBGA 封装的 LVCMOS 可编程 MEMS 振荡器，可用于物联网和手机应用。
在汽车领域，SiT8924AE 24 MHz 振荡器具有非常高的工作温度范围（-55˚C 至 ~125˚C），采用小型无引线表面贴装器件 （SMD） 封装，尺寸为 2.50 mm x 2.00 mm，高度为 0.80 mm。
这些可编程 MEMS 器件系列繁多，标称频率都是现成即用，但都有相同的原始形式：空白器件。它们基本上是“现场可编程”的振荡器，最初为空白器件，然后在工厂对常用频率进行预编程，接着再由 Digi-Key 供货。
定制振荡器的快速发货
若拥有多种多样的振荡器，则有助于将常用定时电路迅速推向市场，但并非每个设计人员都愿意进行振荡器编程，尽管它相当简单，但在特定情况下仍需定制配置。在过去，后者意味着定制配置从工厂发货需要三到五周的提前期。Digi-Key 在自己的仓库中安装有专门用于 SiTime 零件的自动编程机，因此可解决这一问题。
该机器目前有八个插座，每小时可编程 1500 个单元，将定制配置的提前期缩短到 24 至 48 小时，并且无最低订购数量限制。
要利用此功能，设计人员可从 Digi-Key 技术论坛上的 SiTime 可编程振荡器部分开始。提交申请后，将立即向 Digi-Key 的工程设计技术人员发送电子邮件。他们将验证新零件编号，并将其添加到 Digi-Key 网站上。虽然网站会指导设计人员完成订购过程，但熟悉 SiTime 振荡器配置的命名法可能会有所帮助（图）。
图6 ：图示为 SiTime 可编程 MEMS 振荡器的常用配置命名法，此处以 SiT2001 基本型号为例。（图片来源：SiTime）
总结
各种应用的系统设计人员需要灵活的电路定时解决方案，以满足当前以及传统和未来的系统规格和要求。设计人员选择可满足诸多要求的可编程 MEMS 器件，可免除多个晶体或 MEMS 振荡器以及相关电路和设计的复杂性，从而节省空间、时间和成本。
