每个电子系统都需要一个计时装置。晶体 (XTAL) 谐振器通常是首选解决方案。然而，与 XTAL 相比，将谐振器与振荡器 IC 配对成一个完整的集成计时器件的振荡器具有多项优势。 MEMS 计时技术进一步扩展了这些优势。系统设计人员不再需要解决 XTAL 的局限性，也不再需要接受使用晶体进行设计的麻烦和风险。

SiTime 即将在一个有源器件中包含一个 MEMS 器件和配套 IC，如图所示结构可实现、实现、灵活的一个产品，这些产品设计到系统中。

即插即用振荡器简化系统设计

从表面上看，使用石英晶体的振荡器设计似乎很简单，尤其是考虑到这项技术的成熟度。但是，在将晶体与振荡器电路匹配时，需要考虑无数的设计参数。这些参数包括晶体运动阻抗、谐振模式、驱动电平和振荡器负电阻，它是振荡器增益的量度。此外，必须考虑并联谐振模式晶体的负载电容，它应该考虑 PCB 寄生电容和振荡器电路中可能包含的片上集成电容。

必须仔细考虑所有这些参数，以确保电路的可靠启动和运行。由于振荡器电路需要谐振器与振荡器电路紧密匹配，因此晶体供应商无法保证晶体的启动。相比之下，振荡器是一个完全集成的解决方案。振荡器制造商将石英谐振器与振荡器电路相匹配，从而减轻了电路板设计者的负担。由于消除了匹配错误，SiTime 保证了振荡器的启动。简而言之，振荡器是一种即插即用的解决方案，可以极大地简化系统设计。

MEMS 振荡器消除了设计问题

晶体运动阻抗和振荡器负电阻

振荡器电路必须有足够的增益和相移才能满足振荡的巴克豪森准则。特别重要的是晶体的运动阻抗 (ESR) 和振荡器的负电阻（相当于增益）。如果振荡器的增益不足以克服石英谐振器的运动阻抗，则电路可能无法启动。使用振荡器可以消除这些问题。

晶体谐振模式、频率调谐电容和片上振荡器电容

石英晶体可以在串联或并联谐振模式下谐振，但通常只针对这两种模式中的一种进行校准。如果针对并联谐振进行校准，则它们需要通常指定的特定负载电容。但是，如果没有使用合适的电容，频率误差可能会超出数据表的规格。振荡器 IC 可能有也可能没有集成芯片电容，必须将其与来自印刷电路板连接、键合线和振荡器 IC 引线框架的任何寄生电容一起考虑在内，以确保最佳频率精度。

相比之下，MEMS 振荡器将谐振器和振荡器/PLL IC 集成到一个封装中，无需外部电容器来调谐谐振频率。

晶振驱动电平

必须注意确保振荡器电路不会过度驱动晶体谐振器。过度驱动谐振器会导致晶体谐振器加速老化，在极端情况下，它会损坏晶体。相比之下，MEMS 谐振器不会老化。

MEMS 振荡器提供更好的质量和可靠性

质量和可靠性至关重要 - 不仅公司声誉受到威胁，而且返工成本高昂且耗时。此外，部署在户外并暴露于环境压力下的系统必须特别坚固。石英谐振器虽然是一项成熟的技术，但涉及相当复杂的制造过程，其中每个单独的谐振器都被调谐到所需的频率，通常是通过用离子束烧蚀金属电极。该步骤发生在封装晶体之前，并导致谐振器容易受到污染。这一过程以及其他石英制造的复杂性导致石英的平均故障间隔时间 (MTBF) 低至 14 至 3800 万小时。最好的石英制造商的每百万缺陷率 (DPPM) 高达 50，而二级石英供应商的缺陷率高达 150。

与石英晶体的专业制造工艺相比，MEMS 振荡器制造商使用标准的半导体批量模式技术。这包括谐振器和振荡器 IC 的晶圆级生产，以及使用塑料封装与标准引线框架进行芯片键合。 SiTime MEMS 谐振器芯片由纯硅的单一机械结构制成。在 SiTime MEMS 的制造过程中，使用 Epi-Seal™ 工艺清洁谐振器，然后沉积多晶硅以密封结构。这种超洁净的气密真空密封可确保谐振器结构受到保护且不受污染，从而消除老化机制。

因此，SiTime 振荡器的 DPPM 和 MTBF 比石英好大约 30 倍，提供了一个非常可靠的技术平台，可以承受恶劣的环境压力，并为最终用户提供高质量的产品。

MEMS 低频振荡器占用的电路板空间减少 65%

振荡器是一种完全集成的解决方案，不需要电源去耦电容等外部组件。 SiTime 的 1.5 毫米 x 0.8 毫米 (1508) 占位面积小于 1.6 毫米 x 1.2 毫米的最小石英晶体占位面积。考虑到 32 kHz 石英晶体所需的负载电容器，总板面积或 XTAL 解决方案要大三倍以上。

振荡器可以驱动多个负载，降低成本、BOM 和电路板空间

振荡器是带有输出驱动器的有源电路，通常能够根据驱动强度驱动 2 到 3 个负载。这允许振荡器取代多个晶体及其相关电容器，从而进一步减少 BOM、系统成本和电路板面积。

MEMS 振荡器对 EMI 的敏感度要低得多

电磁能在大多数系统中很常见，可以通过将晶体谐振器连接到包含振荡器电路的 IC 的暴露 PCB 走线接收。这种噪声可以耦合到振荡器电路中并传递到输出端，可能会给系统增加抖动和噪声。然而，集成振荡器在谐振器和振荡器 IC 之间没有暴露的 PCB 连接，并且将 MEMS 谐振器连接到 IC 的键合线或焊球非常短。这使得 MEMS 振荡器对 EMI 不那么敏感。如下表和图表所示，SiTime 振荡器的灵敏度比晶体谐振器低 11.3 dBm（线性标度为 134 倍）。

该测试是根据 IEC 62132-2 标准执行的，该标准将电磁能注入安装被测设备 (DUT) 的横向电磁 (TEM) 单元。

MEMS 振荡器对振动的敏感度要低得多

抗振性很重要，因为电子系统经常受到环境压力的影响，尤其是部署在户外的系统。风、重型车辆和火车是许多外部振动源的几个例子。此外，系统通常使用会引起振动的冷却风扇。这些振动应力会在晶体谐振器上引起频移和噪声。

一些需要非常稳定的频率的系统，例如无线基站和小基站，可能会因振动而出现系统故障和服务中断。

MEMS 振荡器具有抗振性，因为 MEMS 谐振器的质量比石英谐振器的质量低大约 1,000 到 3,000 倍。这意味着施加在 MEMS 结构上的给定加速度（例如来自冲击或振动）将导致比其石英等效物低得多的力，从而导致低得多的频移。第 5 页上的图显示，与石英振荡器相比，SiTime MEMS 振荡器的振动灵敏度低（更好）10 倍以上。请注意，此图基于石英振荡器的测量结果，而不是无源晶体谐振器，但预计石英晶体谐振器的结果相当。

MEMS 振荡器可用于1 – 725MHz任何频率

石英供应基础设施有几个限制因素，可能导致提前期很长，大约为 12 到 16 周甚至更长。限制之一是陶瓷封装供应商的数量有限。另一个限制是频率选项的可用性有限。对于石英产品，除非使用可编程锁相环 (PLL)，否则每个频率都需要不同的晶体切割。因此，非标准频率的提前期可能很长。

与晶体谐振器相比，MEMS 谐振器基于标准谐振器配置。 MEMS 振荡器的输出频率是通过将 PLL 编程为不同的倍增值来生成的。这实现了具有六位数精度的非常宽的频率范围。此外，硅 MEMS 振荡器是使用标准半导体工艺和封装制造的。由于 MEMS 振荡器供应商利用非常大的半导体行业基础设施，因此容量几乎是无限的。

MEMS 振荡器样品可以在一天内编程并提供，即使对于非标准频率也是如此。通过使用 SiTime 的低成本 Time Machine II 编程器和现场可编程振荡器，设计人员可以立即在他们的实验室中对振荡器进行编程，以在设备的工作范围内创建具有任何频率、任何电源电压和任何稳定性的设备。生产提前期仅为 6 至 8 周。

整个产品系列的认证资格

针对最终使用（系统）条件的合格组件可能会消耗大量时间和资源。然而，使用 MEMS 振荡器可以减少认证工作。 SiTime 产品基于可编程平台，该平台允许基本产品系列中的每个设备产生广泛的频率、电源电压和稳定性。例如，如果已投入资源在特定输出频率下对 SiTime 设备进行认证，而新的电路板设计需要不同的频率，则现有的认证数据可能会扩展到具有新频率的部件。

相比之下，每个 XTAL 频率都需要不同的石英空白。如果设计需要高于 60 MHz 的频率，则通常使用基模石英以外的不同技术。三次泛音石英晶体通常用于更高的频率。这种模式会带来额外的挑战，以确保可靠的启动（即比基本模式更高的运动阻抗和不同的振荡器电路），这需要进行认证。

结论

尽管存在固有的局限性，几十年来晶体一直是电子计时的标准。 SiTime 的 MEMS 振荡器克服了这些限制，与传统石英晶体谐振器相比具有许多优势。设计人员不再需要接受与 XTAL 相关的麻烦和限制。

用 MEMS 振荡器代替 XTAL 的 8 大理由是：

1、   振荡器“即插即用”——更容易设计，保证启动
2、   质量和可靠性提高 30 倍——降低成本，提高稳健性
3、   更小的封装和无/更少的盖帽——减少了 PCB 面积
4、   驱动多个负载，取代 2 到 3 个石英晶体——降低成本、BOM 和 PCB 面积
5、   对电磁能的敏感性降低高达 134 倍——更稳健
6、   对振动的敏感度降低 10 倍 – 更坚固
7、   可提供1 – 725MHz任何频率 - 非常短的交货时间
8、   一种 MEMS 产品覆盖了很大的频率范围——减少了认证工作

关于SiTime公司

SiTime是一家专注于全硅MEMS时钟解决方案的Fabless半导体设计公司。公司成立于2005年，于2019年在美国纳斯达克上市。截至2021年底，全球累积出货量已超过20亿片，占据全球MEMS硅晶振市场90%以上份额。
SiTime采用MEMS技术与CMOS半导体技术相结合，依托先进的堆叠封装工艺制作而成。无需更改PCB设计,即可P2P完全替代所有传统石英振荡器产品。大尺度频率覆盖范围、国际标准封装、灵活的产品组合，快捷的可编程交付方式。所有产品可在24小时内提供32KHz--725MHz任一频率样品供应,实现更高性能时钟样品的快速交付。SiTime硅晶振以稳定的性能和超高的性价比成为了大多数高性能主控芯片的理想时钟选择和强健的心脏。不仅可以缩短研发周期，节约开发调试成本，而能降低未来产品返修风险，快给你的电路换上一颗SiTime硅晶振吧。

关于SiTime样品中心

SiTime样品中心成立于2014年，由SiTime公司联合北京晶圆电子有限公司共同创立，并由晶圆电子全权负责全面运营、客户服务以及国内的交付任务。SiTime样品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市场在大中华地区的应用普及,助力中国客户产品时钟解决方案升级换代。提供售前售后技术服务、24小时快速供样、以及国内中小批量现货支持和重要客户的全方位策略服务。更多资讯可访问SiTime样品中心官网(www.sitimechina.com)。

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