關(guān)于作者--SiTime樣品中心

為了加速SiTime MEMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及，讓中國電子工程師能快速體驗MEMS硅晶振的高穩(wěn)定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動等更多優(yōu)勢，SiTime公司聯(lián)合本土半導(dǎo)體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費樣品申請，小批量試產(chǎn)、現(xiàn)貨應(yīng)急、特價申請、技術(shù)支持等便捷服務(wù)，更多信息請訪問www.sitimechina.com，客戶服務(wù)熱線400-888-2483。

SiTime 的 Elite Platform? 振蕩器和 Super-TCXO? 系列基于一種新穎的架構(gòu)，由 DualMEMS? 芯片和混合信號 CMOS IC 組成，具有專有的溫度補償方案和低噪聲頻率合成器。這種架構(gòu)可實現(xiàn)出色的動態(tài)性能、超低抖動、寬頻率范圍和可編程性。憑借 DualMEMS 技術(shù)，SiTime 利用公司豐富的 MEMS 設(shè)計和制造專業(yè)知識以及對硅作為熱、機械和電氣材料的理解來生產(chǎn)世界上最準確的溫度傳感器，從而以更低的成本獲得類似 OCXO 的性能，低功耗 TCXO 實現(xiàn)。從根本上說，獨特的 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)和 TurboCompensation? 溫度補償可在溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)卓越的頻率穩(wěn)定性和對動態(tài)熱干擾的穩(wěn)健性。基于石英晶體的 TCXO 無法與 DualMEMS Super-TCXO 器件的穩(wěn)定性和彈性相匹配。

圖 1: Elite Platform 架構(gòu)

DualMEMS 技術(shù)獨特地允許在單個管芯內(nèi)共同制造兩個硅 MEMS 諧振器。一個諧振器采用 SiTime 的 TempFlat? MEMS 技術(shù)設(shè)計，可在溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)。在沒有補償電路的情況下，TempFlat MEMS 單獨在 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)將硅 MEMS 振蕩器的未補償頻率穩(wěn)定性顯著提高到小于 ±60 ppm。 TempFlat-MEMS 增強的溫度頻率穩(wěn)定性比石英晶體好兩倍，在某些應(yīng)用中無需溫度傳感器和外部補償電路。對于需要更好頻率穩(wěn)定性的云服務(wù)器和電信基站等應(yīng)用，TempFlat MEMS 大大簡化了所需的補償電路，并降低了整體系統(tǒng)尺寸、功耗和成本。 DualMEMS 芯片中的第二個諧振器設(shè)計用作極其精確的溫度傳感器。它的頻率對溫度變化很敏感，線性斜率為≈±7 ppm/°C。這兩個諧振器之間的頻率比以 30 μK 的分辨率和以 100 秒的頻率運行的帶寬提供了極其快速和準確的諧振器溫度讀數(shù)。溫度讀數(shù)用作混合信號 CMOS IC 中采用的溫度補償算法的輸入。最終，Elite Platform Super-TCXO 的溫度補償頻移在 -40°C 和 +85°C 之間降低到小于 ±1 ppm。這種溫度傳感方案稱為 TurboCompensation。

圖 2：TurboCompensation 溫度傳感和無噪聲溫度補償，分辨率 <30 μK

在 DualMEMS 結(jié)構(gòu)中，TempFlat MEMS 諧振器和溫度傳感器幾乎完美地?zé)?a href="http://www.xsypw.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合，因為它們在物理上盡可能靠近，兩個元件之間的距離僅為 100 μm。此外，定時諧振器和溫度傳感器諧振器通過硅進行熱分流，硅是一種極好的熱導(dǎo)體。這種設(shè)計大大減少了 TempFlat? 諧振器和溫度傳感器之間的熱傳遞時間常數(shù)。硅 MEMS 微制造使 TempFlat? 諧振器和溫度傳感器諧振器具有相同的結(jié)構(gòu)，具有相同（非常小）的質(zhì)量和等效的環(huán)境熱路徑，因此它們可以一起升高和降低溫度，幾乎沒有滯后。確實發(fā)生的任何溫度滯后（例如，由于應(yīng)用了一些不對稱的熱通量）將很快達到其穩(wěn)態(tài)條件。

觀察 Elite Platform Super-TCXO 與 50-ppb 石英 TCXO 在氣流、溫度斜坡、抽頭測試和 VDD 波動下的動態(tài)性能。

Quartz TCXO 性能從根本上受到分立溫度傳感器的使用的阻礙。 石英晶體諧振器和單獨的溫度傳感器之間缺乏熱耦合，因此無法設(shè)計快速溫度補償回路并消除熱梯度而不引起回路穩(wěn)定性問題和性能問題。 因此，基于石英的 TCXO 通常具有 5 到 10 Hz 的補償帶寬，太慢而無法跟蹤快速的溫度變化，當石英 TCXO 受到氣流和/或溫度擾動時會導(dǎo)致頻率突然跳躍。

相比之下，石英 TCXO 架構(gòu)使用帶有溫度傳感器（例如 BJT 帶隙溫度傳感器或熱敏電阻）和補償電路的外部 CMOS IC，該電路安裝在距離石英晶體很遠的陶瓷封裝中。因此，石英 TCXO 會受到諧振器和溫度傳感器之間弱熱耦合的影響。因此，當部件受到快速變化的熱擾動時，晶體和溫度傳感器之間存在溫度滯后。晶體和溫度傳感器之間的大溫度偏移導(dǎo)致在溫度補償方案中應(yīng)用錯誤系數(shù)，這會導(dǎo)致輸出時鐘頻率偏離所需頻率。此外，由熱事件引起的頻率偏移將持續(xù)很長時間，因為晶體和傳感器分別穩(wěn)定到它們的穩(wěn)態(tài)溫度值。事實上，當石英 TCXO 受到熱干擾（例如打開風(fēng)扇進行對流冷卻或為耗散大量熱量的相鄰系統(tǒng)組件供電）時，通常會在系統(tǒng)中觀察到輸出頻率的波動。

圖 3：TempFlat 定時諧振器和 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)中采用的溫度傳感器諧振器之間的溫差，對流熱通量入射在一側(cè)。 僅觀察到 52 mK 的溫度偏移，系統(tǒng)在不到 10 ms 的時間內(nèi)穩(wěn)定到該值。

圖 4：石英晶體諧振器和帶有溫度傳感器的 CMOS 芯片之間的溫差，對流熱通量入射在石英晶體頂部。 觀察到接近 3.5K 的溫度偏移，系統(tǒng)需要將近整整一秒才能穩(wěn)定到該值。

在 Comsol Multiphysics? 中執(zhí)行的熱模擬驗證了 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)的固有優(yōu)勢。圖 3 顯示了在應(yīng)用對流熱通量入射到 DualMEMS 芯片一側(cè)期間 TempFlat 諧振器和溫度傳感器之間的溫度偏移。這種高度不對稱的熱通量為基于 DualMEMS 的設(shè)備帶來了最壞的情況，因為施加的熱源更靠近其中一個諧振器，因此在 TempFlat 諧振器和溫度傳感器諧振器之間會產(chǎn)生熱梯度（盡管很小）。在實際場景中，熱通量會在所有側(cè)面入射，以便對稱加熱兩個諧振器。盡管如此，DualMEMS 結(jié)構(gòu)仍顯示出對熱擾動的極強彈性。在此示例中，如圖 3 所示，熱通量僅在 TempFlat 和溫度傳感器諧振器之間產(chǎn)生 52 mK 的溫度偏差，并且溫度在不到 10 毫秒后穩(wěn)定到其穩(wěn)態(tài)值。然而，當受到入射在石英晶體頂部的相同熱通量時，基于石英的振蕩器并不那么堅固。圖 4 表明石英晶體和帶有溫度傳感器的 CMOS IC 之間的溫度偏移要大得多，接近 3.5K，并且需要近 1s 才能穩(wěn)定到該值。顯然，結(jié)果表明 Elite Platform DualMEMS 架構(gòu)的熱性能比典型的石英 TCXO 好幾個數(shù)量級。

圖 5a：Allin 封裝交叉——一個石英振蕩器部分（去蓋）

圖 5b：陶瓷封裝中的去蓋石英 TCXO，晶體安裝在頂部

圖 5 c : 拆下石英晶體后，CMOS IC 在下面露出

使用硅 MEMS 技術(shù)可以在同一芯片上制造定時諧振器和溫度傳感器。使用傳統(tǒng)的石英晶體組裝工藝不可能共同制造諧振器和溫度傳感器。石英 TCXO 的封裝、材料和性能限制需要晶體和溫度傳感器之間的大位移。石英換能器需要對石英毛坯進行細致的加工、拋光和修整，以實現(xiàn)所需的溫度頻率穩(wěn)定性，而 CMOS IC 上的振蕩器電路、溫度傳感器和補償電路則是使用傳統(tǒng)的硅微加工技術(shù)制造的。集成這兩個基于兩種不同材料系統(tǒng)的組件會帶來許多挑戰(zhàn)。石英換能器通常使用導(dǎo)電粘合劑安裝在陶瓷封裝中，使其懸浮在封裝腔內(nèi)，周圍有氮氣。晶體通過鎢通孔和金線鍵合與安裝在封裝底部的 CMOS IC 電連接。圖 5 顯示了 a) 一體式石英振蕩器陶瓷封裝的橫截面示意圖，b) 上層安裝有石英晶體的去蓋部分和 c) 與石英晶體相同的部分移除，露出 CMOS IC，溫度傳感器、振蕩器和補償電路安裝在封裝底部的晶體下方。

圖 6：SiTime QFN 封裝示意圖，MEMS 芯片直接安裝在 CMOS IC 頂部

Elite Platform DualMEMS 沒有這種權(quán)衡。 溫度傳感器和定時諧振器位于同一個芯片上，該芯片直接安裝在 CMOS IC 芯片上，如圖 6 所示。 MEMS 芯片與 CMOS 芯片的接近度和溫度補償電路也確保了這些元件之間的緊密熱耦合。

總之，在需要精確和穩(wěn)定時序參考的應(yīng)用中，Elite Platform Super-TCXO 為基于石英的 TCXO 提供了更高性能、更穩(wěn)定和更可靠的替代方案。憑借 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 溫度傳感技術(shù)，Elite Platform 設(shè)備可以比基于石英的 TCXO 更快地檢測和補償溫度瞬變。 DualMEMS 架構(gòu)由 TempFlat MEMS 諧振器和溫度感應(yīng)諧振器組成，它們熱耦合并結(jié)合 TurboCompensation 技術(shù)、專有溫度補償方案和低噪聲頻率合成器，以實現(xiàn)比石英 TCXO 快 40 倍的溫度跟蹤。這些元件共同提供了出色的動態(tài)性能，能夠在環(huán)境壓力因素（如快速溫度變化和氣流）下保持 <1 ppm 的頻率穩(wěn)定性。這些元件還有助于使設(shè)備免受沖擊、振動和電源噪聲的影響，并提供可靠的性能，具有出色的艾倫偏差、低抖動和低相位噪聲。

關(guān)于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時鐘解決方案的Fabless半導(dǎo)體設(shè)計公司。公司成立于2005年，于2019年在美國納斯達克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過20億片，占據(jù)全球MEMS硅晶振市場90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術(shù)與CMOS半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，依托先進的堆疊封裝工藝制作而成。無需更改PCB設(shè)計,即可P2P完全替代所有傳統(tǒng)石英振蕩器產(chǎn)品。大尺度頻率覆蓋范圍、國際標準封裝、靈活的產(chǎn)品組合，快捷的可編程交付方式。所有產(chǎn)品可在24小時內(nèi)提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應(yīng),實現(xiàn)更高性能時鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩(wěn)定的性能和超高的性價比成為了大多數(shù)高性能主控芯片的理想時鐘選擇和強健的心臟。不僅可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)調(diào)試成本，而能降低未來產(chǎn)品返修風(fēng)險，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

關(guān)于SiTime樣品中心

SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯(lián)合北京晶圓電子有限公司共同創(chuàng)立，并由晶圓電子全權(quán)負責(zé)全面運營、客戶服務(wù)以及國內(nèi)的交付任務(wù)。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場在大中華地區(qū)的應(yīng)用普及,助力中國客戶產(chǎn)品時鐘解決方案升級換代。提供售前售后技術(shù)服務(wù)、24小時快速供樣、以及國內(nèi)中小批量現(xiàn)貨支持和重要客戶的全方位策略服務(wù)。更多資訊可訪問SiTime樣品中心官網(wǎng)(www.sitimechina.com)。