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　　圖1. 頻率控制技術的演進

　　盡管MEMS諧振器技術已經解決了石英晶體的基本缺陷，但剛剛進入競爭激烈的頻率控制市場，它也存在一些缺點。首先，MEMS器件小于石英晶體，所以無法提供更多能量到振蕩周期。這意味著，在相同的頻率下轉換效率低，從而造成信噪比較差。第二，傳統的MEMS材料，例如單晶硅、多晶硅，甚至聚硅鍺，隨溫度變化的漂移顯著，這會帶來信號完整性和熱滯問題。

　　2010年，Silicon Labs通過收購一家名為Silicon Clocks的公司，獲得了在大批量生產中把MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上，實現完全集成的、高可靠性的CMEMS技術。“在標準CMOS芯片上集成高精度振蕩器的夢想，已經由Silicon Labs公司和他們最新推出的Si50x CMEMS振蕩器系列變為現實。”Steven Zhang 表示。

　　CMEMS技術是頻率控制市場的重要技術進步。通過結合MEMS和CMOS兩者的最好特性，CMEMS可編程振蕩器能夠為成本和功耗受限的嵌入式、工業和消費類電子應用提供最佳的通用型振蕩器解決方案。

　　CMEMS相比XO的優勢

　　相比傳統的石英晶體振蕩器(XO)，Si50x CMEMS可編程振蕩器主要有下面這些優點：

　　1、針對成本、空間和功耗敏感型應用的通用振蕩器;

　　2、定制樣片交付時間少于2周;

　　3、直接替換晶體振蕩器 (XO) ;

　　4、在客戶現場使用現場編程器立即定制樣片;

　　5、高穩定性和可預見性供應鏈;

　　6、在全溫度范圍、撞擊、震動等環境下，具有10年的高穩定頻率輸出;

　　7、性能與XO相比，在震動、撞擊、溫度和老化環境下更可靠。

　　傳統的石英供應鏈復雜、高成本，且低效率。他們高定制化的制造流程(幾周到幾個月的交付時間)不僅增加供應鏈的管理難度，同時還限制參考振蕩器產生的頻率范圍。隨著計算、通信和網絡裝置的數據速率的增長，這種限制對提供高質量高頻時鐘信號時鐘的合成將產生更多壓力。CMEMS工藝流程極大簡化了供應鏈。大大縮短交付時間(小于2周)和從kHz到GHz輸出頻率的無限可編程性。

　　圖2. CMEMS定制樣片交付時間少于2周

　　“更好的諧振器等于更好的穩定性，CMEMS技術確保數據手冊中的性能具有10年的頻率穩定性，包括焊接偏移、負載牽引、VDD變化、運行溫度范圍、振動和沖擊，并保證操作壽命性能是其他公司XO和MEMS振蕩器的10倍。” Steven Zhang說。

　　Si50x在全溫度范圍內具有高穩定的頻率參考，傳統的MEMS諧振器具有-30-40ppm/°C的頻率漂移，而CMEMS頻率漂移 < ±1ppm/°C。與其它解決方案相比，溫度穩定性高5-10倍。如下圖3所示，使用經典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環境中，Si50x都表現出出色的頻率穩定性。全溫度范圍內具有更可靠的一致性工作性能，增強了目標應用的長期穩定性。

　　

　　圖3. Si50x抗驟冷驟熱變化能力

　　此外，Si50x還是高穩定和可靠的振蕩器，與同類晶體相比，原子質量小于61000倍，這使它不易受撞擊、震動、加速度和老化影響。

　　Si50x強勢替代傳統XO

　　結合Silicon Labs混合信號的專業知識，CMEMS技術可以采用單一參考頻率生成幾乎所有頻率輸出，并且輸出頻率與大批量生產的晶體振蕩器一樣穩定，解決了熱滯或信號完整性問題，具有高度耐沖擊和振動能力，并具有10年以上的±20ppm頻率穩定性保證。CMEMS單芯片振蕩器將會成為晶體振蕩器的替代解決方案。

　　Si50x CMEMS 振蕩器系列產品包括針對工業、嵌入式和消費電子市場的四種可編程芯片，如下圖4所示。每種芯片都可通過網絡或現場定制。

　　

　　圖4. Si50x CMEMS 振蕩器系列產品概述

　　“Si501/2/3/4是通用XO替代產品，適用于應用需要：低功耗 (1–8mA)、低頻率，LVCMOS時鐘 (<100MHz)、小尺寸 (2.0x2.5mm)、低成本 (~$0.50 10K EAU)、高可靠性(高振動，高溫度)、好的消費/嵌入式抖動性能 (1.1ps RMS 周期抖動)的系統中。” Steven Zhang表示。

　　此外，針對消費類、嵌入式和工業中的通用定時需求，Si50x不僅是SoCs, CPLDs, mPs, FPGA 數字邏輯的理想時鐘源，也是消費/嵌入式應用于中數據通路的理想時鐘源，例如，SAS, SATA, DDR3和PCIe。

　　“目前世強不推薦將Si50x用于通信應用，因為通信應用通常需要低相位抖動(<1ps RMS 12kHz-20MHz)， Silicon Labs晶體振蕩器 (Si51x, Si53x, Si59x) 更適用于這種應用。”“但是我們今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖動，更高頻率輸出的延續產品可以滿足眾多通訊時鐘需求。”Steven Zhang強調。

　　如下圖5所示，Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性價對比表。Si50x系列產品完善了Silicon Labs的振蕩器產品系列。Si501/2/3/4系列產品針對工業、嵌入式和消費類市場中低成本、低功耗、通用目的振蕩器。而Silicon Labs的Si51x/9x/3x針對具有高性能、低相位抖動需求的通信和數據傳輸應用。

　　

　　圖5. Si50x CMEMS振蕩器與Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性價對比表?

　　“Si50x振蕩器可提供網絡定制的2周樣品交付周期，世強的FAE還可以在客戶現場即刻編程，使用現場編程器進行0延時樣片交付。這種靈活的可編程性，使得Si50x 系列產品可以快速滿足客戶的特殊需求。此外，Si50x振蕩器與現有的石英或MEMS振蕩器引腳和封裝兼容，可實現快速便捷的替換解決方案。” Steven Zhang表示。

　　

　　圖6. 使用現場編程器進行0延時樣片交付

　　應用設計實例

　　Si50x應用目標鎖定于工業安防，變頻伺服等需要超長壽命需求，以及數碼相機、存儲和內存、ATM機、POS機和多功能打印機等需要小封裝晶振的領域。能夠可靠和有效的用于典型的目標應用，包括：

　　SoC視頻應用處理器 (Roku)

　　10/100快速以太網 (SoC & NIC/LOM 實現)

　　USB 2.0 (480Mbps)

　　USB 3.0 (5Gbps)

　　DDR3

　　工業安防

　　通訊

　　作為眾多MCU的參考時鐘取代傳統晶振

　　如下圖7所示，在10/100快速以太網應用中，分別在低抖動和低功耗模式下測量Si501 EVB的抖動。測試結果顯示，Si501在低抖動模式下幾乎與R&S高端信號發生器的隨機抖動性能相同，Si501在低功耗模式下抖動性能稍有下降，但仍具有可接受的系統抖動裕量。所以，Si50x適合作為10/100快速以太網參考時鐘。

　　

　　圖7. 10/100快速以太網——分別在低抖動和低功耗模式下測量Si501 EVB的抖動

　　如下圖8所示，在USB 2.0的應用中，對比石英晶體振蕩器，Si501低抖動模式和低功耗模式的眼圖抖動性測試，所有配置均通過USB 2.0兼容性測試，Si501性能等于或超過典型的解決方案，所以Si501適用于作為USB2.0的參考時鐘。

　　

　　圖8. USB 2.0兼容性測試

　　Steven Zhang 最后特別指出：“Si50x的產品定位就是取代傳統的XO，所以他的價錢也和XO相當，客戶不用擔心用不起。所以，工程師們請不要再囿于自己慣性思維的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS 振蕩器已經來了。”