MEMS振蕩器解決精密計時問題

考慮基于分組的網(wǎng)絡。讓我們假設你在某處有一個主時鐘。僅僅通過在網(wǎng)絡上來回發(fā)送數(shù)據(jù)包，您將如何確保任何低級遠程節(jié)點具有正確的時間(即與主時鐘相同的時間)？在您回答之前，我想提醒您，每個數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中可能采用不同的路徑，這取決于任何其他網(wǎng)絡流量的當前狀態(tài)。我只能說，大約在1985年推出的網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)可以達到毫秒級的精度，而大約在2002年推出的精確時間協(xié)議(PTP)可以達到亞微秒級的精度，這兩個協(xié)議都是對一個令人難以置信的復雜問題的巧妙解決方案。

大多數(shù)人通常不認為汽車和基于分組的網(wǎng)絡是相關的，但是它們比你想象的有更多的共同點。例如，今天的汽車可能采用基于分組的網(wǎng)絡在車輛周圍傳送數(shù)據(jù)，此外，它們可能通過4G或5G蜂窩網(wǎng)絡與外部世界相連，這些網(wǎng)絡本身也是基于分組的。此外，只是為了開心，汽車內的片上系統(tǒng)(SoC)設備本身可能采用一個或多個片上網(wǎng)絡(NoC)基于分組的網(wǎng)絡來在設備內的ip功能之間傳輸數(shù)據(jù)(例如，我相信FlexNoc互連IP來自Arteris，可在70%的汽車ADAS SoCs中找到。

實際上，雖然這不是有意的，但是上面基于包的討論可能會有點熏青魚(一)紅色哈倫，如果你愿意的話)，因為它們與本專欄的核心沒有特別密切的關系(這可能有助于你將這些討論視為精神錯亂者的胡言亂語)。

我想說的是(恐怕我失敗了)，電子系統(tǒng)正在發(fā)生變化。如今，幾乎每個設備都是智能的，幾乎每個設備都是聯(lián)網(wǎng)的。換句話說，人們對實時系統(tǒng)的連接性、帶寬和低延遲有著永不滿足的需求。P精確計時是包括汽車在內的所有智能互聯(lián)電子系統(tǒng)的核心，石英晶體振蕩器是所有精確計時解決方案的核心。

當然，有多種振蕩器可供選擇。例如，一個便宜且令人愉悅的RC振蕩器使用一個電阻和電容以及一個放大器和正反饋來產生振蕩信號，但由于溫度等環(huán)境影響，這種振蕩器的頻率可能會發(fā)生顯著變化。在光譜的另一端是光學原子鐘，它利用原子的振蕩來提供令人難以置信的精確度和準確度。舉個例子，最新的這種鐘是如此的精確，以至于——如果它們出現(xiàn)在那個時代若其余情況相同(所有其他事情都相同)——自從宇宙在大約137億年前存在以來，它們不會失去或增加一秒鐘(你知道，我不在那里，但我母親在我還是個年輕小伙子的時候告訴了我所有的事情)。當然，在你的汽車上安裝一個這樣的時鐘來提供時間會稍微抬高標價。其他選擇包括……但是我們一會兒將回到這些。

我沉思的原因有兩個。這一切都是從我閱讀和思考一篇關于汽車行業(yè)的四大趨勢艾蒂安·溫克爾穆勒SiTime晶振。如果你想知道，這些趨勢是電氣化(徹底改變傳動系統(tǒng)技術)、共享汽車使用(駕駛可靠性需求)、安全(從被動到主動)和駕駛自動化(管理數(shù)據(jù)爆炸)。這讓我與SiTime營銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia進行了交談。

由于汽車市場如此龐大和多樣，很難為某些事情提供絕對數(shù)字，但SiTime認為，大約在2018年，車輛采用了大約20種計時元素。在撰寫本文時，SiTime認為這一數(shù)字已經(jīng)增長到每輛車60個計時元件，到2026年，SiTime預計這一數(shù)字將增長到100個或更多。

但是，為這些計時元件供電的基本振蕩器技術是什么呢？很高興你問了。直到最近，“最常用”的技術是晶體振蕩器，這是一種使用壓電晶體作為頻率選擇元件的電子振蕩器電路。

第一個晶體控制振蕩器使用羅謝爾鹽晶體，建于1917年，并于1918年由貝爾電話實驗室的亞歷山大·尼科爾森申請專利。如今，最常用的壓電諧振器是石英晶體。術語“xtal”是“crystal”的縮寫，這就是標準石英晶體振蕩器使用XO別名的原因。

對振蕩器進行分類的一種常見方法是基于它們在整個溫度范圍內的穩(wěn)定性。這是因為，長期以來，較高音量振蕩器的主要外部壓力是溫度。因此，精度層次結構的下一層是溫度補償型XO (TCXO ),它專為處理較大的溫度變化而設計。然后我們有烤箱控制的XO (OCXO)版本。這些是基于一個包含石英諧振器和相關電路的小爐。雖然外部環(huán)境溫度可能會到處漂移，但烘箱將振蕩器的溫度保持在其晶體理想工作溫度的1°C以內。

你可以花不到一美元買到一輛普通的XO，而只需幾美元就可以買到一輛TCXO晶振，OCXO設備怎么樣？好吧，我這么說吧:如果你非要問，那你就請不起。說真的，低端的OCXO可能要50美元，而高端的超高穩(wěn)定性和超高可靠性振蕩器可能要1000美元左右..如果你批量購買，即使假設最低價格，一輛汽車中有100輛OCXOs也會在汽車的基礎價格上增加50x100美元= 5000美元?，F(xiàn)在我知道“貼紙休克”這個術語的來源了。

Piyush告訴我，如今，穩(wěn)定性不僅僅是溫度穩(wěn)定性；此外，還有許多重要的時鐘規(guī)格添加敬穩(wěn)定。其中最關鍵的是相位噪聲(RF)、抖動(有線)和GPS的Allan偏差(以及其他應用)。

就穩(wěn)定性而言，一些重要的因素是頻率-溫度斜率(dF/dT)，它描述了頻率如何因溫度波動和老化(即穩(wěn)定性隨時間的變化)而變化。這些特性對于時間同步和保持等新特性也至關重要，這些特性正在核心和邊緣基礎設施、汽車和工業(yè)應用中得到采用。

Piyush提出的一個非常有趣的觀點是:“我們現(xiàn)在處于智能、互聯(lián)電子時代。我們希望我們的電子設備總是以高帶寬和低延遲連接，以便我們可以消費各種實時服務。比如汽車中的ADAS，云化，AI等。這導致在非原始條件下部署基礎設施，如停車場、體育館、社區(qū)的電線桿等。裝有空調的中央辦公室或遠程終端環(huán)境的時代已經(jīng)一去不復返了。在當前的部署條件下，設備不僅會受到溫度變化的影響；例如，沖擊、振動、氣流和濕度這些環(huán)境應激源，以及電源噪聲和EMI。所有這些壓力都會影響上述任何時間參數(shù)。”

這一切聽起來相當可怕。幸運的是，事情并不像看起來那么糟糕，因為SiTime的聰明人提供了基于彈性和可靠的硅MEMS技術的精確計時解決方案。這些解決方案旨在極端條件下運行，并提供惡劣環(huán)境中所需的強大系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

讓我們看幾個例子，將SiTime的MEMS石英晶振解決方案與傳統(tǒng)的晶振解決方案進行比較。首先，對于GPS等一些應用，頻率/溫度斜率(dF/dT)比頻率/溫度值重要得多，后者以ppb/°C為單位，溫度斜坡率通常為0.5°C/min或1°C/min，但對于部署在惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)而言，溫度斜坡率可能高達5°C/min。下圖顯示了SiTime MEMS TCXO與公開市場上各種石英TCXO的dF/dT性能對比。這表明石英器件的額定溫度頻率值與其溫度頻率斜率之間沒有相關性。

dF/dT性能對比(來源:SiTime)

艾倫偏差(ADEV)，也稱為短期頻率穩(wěn)定性，是振蕩器在時域中穩(wěn)定性的衡量標準。ADEV用于振蕩器，因為與標準差相比，它可以收斂于更多類型的振蕩器噪聲。下圖比較了MEMS TCXO(Elite超級TCXO)和同類最佳的50 ppb石英TCXO溫補晶振在使用許多基于CPU的系統(tǒng)中采用的標準冷卻風扇的氣流下的性能。正如我們所見，對SiTime MEMS超級TCXO幾乎沒有影響，但性能下降了石英TCXO的38倍。

ADEV性能對比(來源:SiTime)

現(xiàn)在讓我們把注意力轉向抖動(假定周期信號與真實周期的偏差)對通信系統(tǒng)的影響；例如，無線(如5G)或有線(以太網(wǎng))數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)代車輛，特別是那些具有駕駛輔助(ADAS)或自動駕駛功能的車輛，非常依賴數(shù)據(jù)傳輸。他們的多個攝像頭、雷達、激光雷達和其他傳感器每小時產生高達20TB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)街醒階DAS計算機進行處理。對于傳感器和ADAS計算機之間的驅動信號，精確的時序至關重要。抖動會導致數(shù)據(jù)錯誤，因此盡可能降低抖動至關重要。Piyush指出，由于其先進的MEMS和PLL技術，SiTime的設備在這方面處于性能的前沿。

但是等等，還有更多，因為物理振動很容易機械耦合到晶體中。在鏈的末端，這轉化為更高的時鐘抖動(對于有線數(shù)據(jù)傳輸)或更差的相位噪聲(對于RF數(shù)據(jù)傳輸)。Piyush評論說:“我們已經(jīng)看到這樣的情況，風扇運轉這樣平凡的事情就足以使石英技術驅動的數(shù)據(jù)鏈路的錯誤率達到不可接受的水平。由于MEMS諧振器的結構、更小的尺寸以及比石英更堅固的材料，MEMS定時技術可以防止系統(tǒng)中出現(xiàn)這些問題，這意味著SiTime設備幾乎不受振動的影響。"

下圖顯示了MEMS振蕩器與同類最佳石英振蕩器在振動時的相位噪聲。在15Hz至2kHz的頻帶內，隨機振動幅度為7.5g均方根(RMS)。MEMS振蕩器的這個振動頻帶中的相位噪聲比石英器件低大約10倍。這對于經(jīng)常暴露在振動環(huán)境中的汽車應用，或者部署在火車站、地鐵站、機場和其它有振動環(huán)境的地方的通信系統(tǒng)來說，是一個巨大的優(yōu)勢。

振動引起的相位噪聲比較(來源:SiTime)

對于要求超穩(wěn)定振蕩器的應用，最后一個非常重要的考慮因素是老化，這是由振蕩器內部隨時間發(fā)生的變化引起的。由于MEMS和石英器件的結構設計、制造工藝和所用材料不同，它們的老化性能有很大差異。MEMS諧振器采用穩(wěn)定的硅材料，沒有除氣特性。SiTime MEMS諧振器的制造過程不會引入諸如在石英諧振器的鋸切和拋光過程中引入的污染物。下圖顯示了基于MEMS和石英技術的3E地層振蕩器的30天加速老化。

加速老化的比較(來源:SiTime)

老實說，我對SiTime的MEMS振蕩器和時序解決方案印象非常深刻，這本來是本專欄的一個很好的結束點，所以問Piyush他是否還有什么想說的是我自己的錯，因為他深吸了一口氣，回答如下:

到目前為止，我們已經(jīng)從更廣泛的精確定時角度研究了MEMS相對于石英的優(yōu)勢。SiTime的MEMS技術具有許多額外的優(yōu)勢，遠遠超出了數(shù)據(jù)手冊中的時序參數(shù)。

例如，SiTime MEMS比基于石英晶體振蕩器產品可靠30-50倍，這是通過構造實現(xiàn)的。MEMS材料具有比鈦更高的拉伸強度，并且在半導體潔凈室中制造以及密封在真空中意味著幾乎沒有任何雜質影響它的機會。傳統(tǒng)上，石英一直是電子產品中的薄弱環(huán)節(jié)之一，也是電子產品故障的常見來源。具有高可靠性的SiTime MEMS在這方面是一個游戲規(guī)則改變者，尤其是當你考慮到與當今汽車相關的功能安全要求時。

絕大多數(shù)SiTime汽車產品在–40°C至125°C的寬溫度范圍內均合格，并且每款汽車產品均符合AEC-Q100標準。這與市面上的許多石英振蕩器產品截然不同，后者僅符合針對無源器件的不太嚴格的AEC-Q200標準(即使它們具有有源電路)，并且通常僅在最高105°C下有效，這種20°C的差異會對應用產生巨大影響。高性能計算和通信系統(tǒng)會產生熱量，工程師花費大量材料成本和工程努力來管理這些熱量。允許他們更靈活地讓系統(tǒng)達到更高的溫度是一個很大的好處。

SiTime內部設計MEMS諧振器和匹配的CMOS有源晶振，使我們能夠定制復雜的診斷機制，始終檢測和報告時鐘的健康狀況。因此，SiTime設備不僅能確保故障率降低30-50倍，還能讓系統(tǒng)設計人員輕松滿足功能安全要求。

最后，讓我們談談可編程性的巨大好處。我們的大多數(shù)振蕩器和時鐘發(fā)生器在各種規(guī)格下都是完全可編程的。例如，我們的器件可編程精度高達小數(shù)點后六位。工作電壓也是可編程的。LVCMOS輸出驅動強度是可編程的，工程師可以通過匹配器件的輸出阻抗和走線阻抗來最大限度地降低走線上的反射。在擴頻設備上，擴展的百分比(導致EMI降低)也是可編程的。最后，我們有一些振蕩器可以通過串行接口編程，以便工程師在系統(tǒng)中配置參數(shù)。

無論是在原型開發(fā)還是大規(guī)模制造過程中，可編程性對系統(tǒng)設計人員來說都是一大優(yōu)勢。我們可以為客戶提供桌面編程設備和空白振蕩器部件，讓他們在調整系統(tǒng)性能的幾分鐘內嘗試不同的頻率或其他輸出特性。在批量生產中，這種可編程性給了我們巨大的規(guī)模優(yōu)勢，并使我們能夠保持較短的交付周期。與quartz不同，在quartz中，每個頻率都是一個特殊的切割，因此是一個特殊的物理過程，SiTime可以跨頻率使用一個通用的基本產品，只需使用線端編程即可滿足任何要求。這也節(jié)省了系統(tǒng)表征和認證的時間，因為我們的器件只需認證一次，而不是針對每個不同的頻率。