MEMS振荡器解决精密计时问题

考虑基于分组的网络。让我们假设你在某处有一个主时钟。仅仅通过在网络上来回发送数据包，您将如何确保任何低级远程节点具有正确的时间(即与主时钟相同的时间)？在您回答之前，我想提醒您，每个数据包在网络中可能采用不同的路径，这取决于任何其他网络流量的当前状态。我只能说，大约在1985年推出的网络时间协议(NTP)可以达到毫秒级的精度，而大约在2002年推出的精确时间协议(PTP)可以达到亚微秒级的精度，这两个协议都是对一个令人难以置信的复杂问题的巧妙解决方案。

大多数人通常不认为汽车和基于分组的网络是相关的，但是它们比你想象的有更多的共同点。例如，今天的汽车可能采用基于分组的网络在车辆周围传送数据，此外，它们可能通过4G或5G蜂窝网络与外部世界相连，这些网络本身也是基于分组的。此外，只是为了开心，汽车内的片上系统(SoC)设备本身可能采用一个或多个片上网络(NoC)基于分组的网络来在设备内的ip功能之间传输数据(例如，我相信FlexNoc互连IP来自Arteris，可在70%的汽车ADAS SoCs中找到。

实际上，虽然这不是有意的，但是上面基于包的讨论可能会有点熏青鱼(一)红色哈伦，如果你愿意的话)，因为它们与本专栏的核心没有特别密切的关系(这可能有助于你将这些讨论视为精神错乱者的胡言乱语)。

我想说的是(恐怕我失败了)，电子系统正在发生变化。如今，几乎每个设备都是智能的，几乎每个设备都是联网的。换句话说，人们对实时系统的连接性、带宽和低延迟有着永不满足的需求。P精确计时是包括汽车在内的所有智能互联电子系统的核心，石英晶体振荡器是所有精确计时解决方案的核心。

当然，有多种振荡器可供选择。例如，一个便宜且令人愉悦的RC振荡器使用一个电阻和电容以及一个放大器和正反馈来产生振荡信号，但由于温度等环境影响，这种振荡器的频率可能会发生显著变化。在光谱的另一端是光学原子钟，它利用原子的振荡来提供令人难以置信的精确度和准确度。举个例子，最新的这种钟是如此的精确，以至于——如果它们出现在那个时代若其余情况相同(所有其他事情都相同)——自从宇宙在大约137亿年前存在以来，它们不会失去或增加一秒钟(你知道，我不在那里，但我母亲在我还是个年轻小伙子的时候告诉了我所有的事情)。当然，在你的汽车上安装一个这样的时钟来提供时间会稍微抬高标价。其他选择包括……但是我们一会儿将回到这些。

我沉思的原因有两个。这一切都是从我阅读和思考一篇关于汽车行业的四大趋势艾蒂安·温克尔穆勒SiTime晶振。如果你想知道，这些趋势是电气化(彻底改变传动系统技术)、共享汽车使用(驾驶可靠性需求)、安全(从被动到主动)和驾驶自动化(管理数据爆炸)。这让我与SiTime营销执行副总裁Piyush Sevalia进行了交谈。

由于汽车市场如此庞大和多样，很难为某些事情提供绝对数字，但SiTime认为，大约在2018年，车辆采用了大约20种计时元素。在撰写本文时，SiTime认为这一数字已经增长到每辆车60个计时元件，到2026年，SiTime预计这一数字将增长到100个或更多。

但是，为这些计时元件供电的基本振荡器技术是什么呢？很高兴你问了。直到最近，“最常用”的技术是晶体振荡器，这是一种使用压电晶体作为频率选择元件的电子振荡器电路。

第一个晶体控制振荡器使用罗谢尔盐晶体，建于1917年，并于1918年由贝尔电话实验室的亚历山大·尼科尔森申请专利。如今，最常用的压电谐振器是石英晶体。术语“xtal”是“crystal”的缩写，这就是标准石英晶体振荡器使用XO别名的原因。

对振荡器进行分类的一种常见方法是基于它们在整个温度范围内的稳定性。这是因为，长期以来，较高音量振荡器的主要外部压力是温度。因此，精度层次结构的下一层是温度补偿型XO (TCXO ),它专为处理较大的温度变化而设计。然后我们有烤箱控制的XO (OCXO)版本。这些是基于一个包含石英谐振器和相关电路的小炉。虽然外部环境温度可能会到处漂移，但烘箱将振荡器的温度保持在其晶体理想工作温度的1°C以内。

你可以花不到一美元买到一辆普通的XO，而只需几美元就可以买到一辆TCXO晶振，OCXO设备怎么样？好吧，我这么说吧:如果你非要问，那你就请不起。说真的，低端的OCXO可能要50美元，而高端的超高稳定性和超高可靠性振荡器可能要1000美元左右..如果你批量购买，即使假设最低价格，一辆汽车中有100辆OCXOs也会在汽车的基础价格上增加50x100美元= 5000美元。现在我知道“贴纸休克”这个术语的来源了。

Piyush告诉我，如今，稳定性不仅仅是温度稳定性；此外，还有许多重要的时钟规格添加敬稳定。其中最关键的是相位噪声(RF)、抖动(有线)和GPS的Allan偏差(以及其他应用)。

就稳定性而言，一些重要的因素是频率-温度斜率(dF/dT)，它描述了频率如何因温度波动和老化(即稳定性随时间的变化)而变化。这些特性对于时间同步和保持等新特性也至关重要，这些特性正在核心和边缘基础设施、汽车和工业应用中得到采用。

Piyush提出的一个非常有趣的观点是:“我们现在处于智能、互联电子时代。我们希望我们的电子设备总是以高带宽和低延迟连接，以便我们可以消费各种实时服务。比如汽车中的ADAS，云化，AI等。这导致在非原始条件下部署基础设施，如停车场、体育馆、社区的电线杆等。装有空调的中央办公室或远程终端环境的时代已经一去不复返了。在当前的部署条件下，设备不仅会受到温度变化的影响；例如，冲击、振动、气流和湿度这些环境应激源，以及电源噪声和EMI。所有这些压力都会影响上述任何时间参数。”

这一切听起来相当可怕。幸运的是，事情并不像看起来那么糟糕，因为SiTime的聪明人提供了基于弹性和可靠的硅MEMS技术的精确计时解决方案。这些解决方案旨在极端条件下运行，并提供恶劣环境中所需的强大系统性能和稳定性。

让我们看几个例子，将SiTime的MEMS石英晶振解决方案与传统的晶振解决方案进行比较。首先，对于GPS等一些应用，频率/温度斜率(dF/dT)比频率/温度值重要得多，后者以ppb/°C为单位，温度斜坡率通常为0.5°C/min或1°C/min，但对于部署在恶劣环境中的系统而言，温度斜坡率可能高达5°C/min。下图显示了SiTime MEMS TCXO与公开市场上各种石英TCXO的dF/dT性能对比。这表明石英器件的额定温度频率值与其温度频率斜率之间没有相关性。

dF/dT性能对比(来源:SiTime)

艾伦偏差(ADEV)，也称为短期频率稳定性，是振荡器在时域中稳定性的衡量标准。ADEV用于振荡器，因为与标准差相比，它可以收敛于更多类型的振荡器噪声。下图比较了MEMS TCXO(Elite超级TCXO)和同类最佳的50 ppb石英TCXO温补晶振在使用许多基于CPU的系统中采用的标准冷却风扇的气流下的性能。正如我们所见，对SiTime MEMS超级TCXO几乎没有影响，但性能下降了石英TCXO的38倍。

ADEV性能对比(来源:SiTime)

现在让我们把注意力转向抖动(假定周期信号与真实周期的偏差)对通信系统的影响；例如，无线(如5G)或有线(以太网)数据传输。现代车辆，特别是那些具有驾驶辅助(ADAS)或自动驾驶功能的车辆，非常依赖数据传输。他们的多个摄像头、雷达、激光雷达和其他传感器每小时产生高达20TB的数据，这些数据需要传输到中央ADAS计算机进行处理。对于传感器和ADAS计算机之间的驱动信号，精确的时序至关重要。抖动会导致数据错误，因此尽可能降低抖动至关重要。Piyush指出，由于其先进的MEMS和PLL技术，SiTime的设备在这方面处于性能的前沿。

但是等等，还有更多，因为物理振动很容易机械耦合到晶体中。在链的末端，这转化为更高的时钟抖动(对于有线数据传输)或更差的相位噪声(对于RF数据传输)。Piyush评论说:“我们已经看到这样的情况，风扇运转这样平凡的事情就足以使石英技术驱动的数据链路的错误率达到不可接受的水平。由于MEMS谐振器的结构、更小的尺寸以及比石英更坚固的材料，MEMS定时技术可以防止系统中出现这些问题，这意味着SiTime设备几乎不受振动的影响。"

下图显示了MEMS振荡器与同类最佳石英振荡器在振动时的相位噪声。在15Hz至2kHz的频带内，随机振动幅度为7.5g均方根(RMS)。MEMS振荡器的这个振动频带中的相位噪声比石英器件低大约10倍。这对于经常暴露在振动环境中的汽车应用，或者部署在火车站、地铁站、机场和其它有振动环境的地方的通信系统来说，是一个巨大的优势。

振动引起的相位噪声比较(来源:SiTime)

对于要求超稳定振荡器的应用，最后一个非常重要的考虑因素是老化，这是由振荡器内部随时间发生的变化引起的。由于MEMS和石英器件的结构设计、制造工艺和所用材料不同，它们的老化性能有很大差异。MEMS谐振器采用稳定的硅材料，没有除气特性。SiTime MEMS谐振器的制造过程不会引入诸如在石英谐振器的锯切和抛光过程中引入的污染物。下图显示了基于MEMS和石英技术的3E地层振荡器的30天加速老化。

加速老化的比较(来源:SiTime)

老实说，我对SiTime的MEMS振荡器和时序解决方案印象非常深刻，这本来是本专栏的一个很好的结束点，所以问Piyush他是否还有什么想说的是我自己的错，因为他深吸了一口气，回答如下:

到目前为止，我们已经从更广泛的精确定时角度研究了MEMS相对于石英的优势。SiTime的MEMS技术具有许多额外的优势，远远超出了数据手册中的时序参数。

例如，SiTime MEMS比基于石英晶体振荡器产品可靠30-50倍，这是通过构造实现的。MEMS材料具有比钛更高的拉伸强度，并且在半导体洁净室中制造以及密封在真空中意味着几乎没有任何杂质影响它的机会。传统上，石英一直是电子产品中的薄弱环节之一，也是电子产品故障的常见来源。具有高可靠性的SiTime MEMS在这方面是一个游戏规则改变者，尤其是当你考虑到与当今汽车相关的功能安全要求时。

绝大多数SiTime汽车产品在–40°C至125°C的宽温度范围内均合格，并且每款汽车产品均符合AEC-Q100标准。这与市面上的许多石英振荡器产品截然不同，后者仅符合针对无源器件的不太严格的AEC-Q200标准(即使它们具有有源电路)，并且通常仅在最高105°C下有效，这种20°C的差异会对应用产生巨大影响。高性能计算和通信系统会产生热量，工程师花费大量材料成本和工程努力来管理这些热量。允许他们更灵活地让系统达到更高的温度是一个很大的好处。

SiTime内部设计MEMS谐振器和匹配的CMOS有源晶振，使我们能够定制复杂的诊断机制，始终检测和报告时钟的健康状况。因此，SiTime设备不仅能确保故障率降低30-50倍，还能让系统设计人员轻松满足功能安全要求。

最后，让我们谈谈可编程性的巨大好处。我们的大多数振荡器和时钟发生器在各种规格下都是完全可编程的。例如，我们的器件可编程精度高达小数点后六位。工作电压也是可编程的。LVCMOS输出驱动强度是可编程的，工程师可以通过匹配器件的输出阻抗和走线阻抗来最大限度地降低走线上的反射。在扩频设备上，扩展的百分比(导致EMI降低)也是可编程的。最后，我们有一些振荡器可以通过串行接口编程，以便工程师在系统中配置参数。

无论是在原型开发还是大规模制造过程中，可编程性对系统设计人员来说都是一大优势。我们可以为客户提供桌面编程设备和空白振荡器部件，让他们在调整系统性能的几分钟内尝试不同的频率或其他输出特性。在批量生产中，这种可编程性给了我们巨大的规模优势，并使我们能够保持较短的交付周期。与quartz不同，在quartz中，每个频率都是一个特殊的切割，因此是一个特殊的物理过程，SiTime可以跨频率使用一个通用的基本产品，只需使用线端编程即可满足任何要求。这也节省了系统表征和认证的时间，因为我们的器件只需认证一次，而不是针对每个不同的频率。