【導(dǎo)讀】新技術(shù)取代成熟技術(shù)通常能夠帶來功能上的突破。在過去的50多年里，半導(dǎo)體行業(yè)一直都在追求更小的尺寸、更快的速度以及更便宜的價(jià)格（和/或更高的性能以及可靠性等）。而現(xiàn)如今，汽車應(yīng)用中的數(shù)字電路則對(duì)時(shí)序要求非常高，相比過去對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振蕩器呈現(xiàn)出極大的需求。本文將討論各類汽車應(yīng)用中出現(xiàn)的這一新興需求，并解釋MEMS與晶振之間的差異。此外，還將介紹一類全新的汽車級(jí)MEMS振蕩器，這類振蕩器可滿足大多數(shù)時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用的需求，并能為所有應(yīng)用帶來更高的可靠性。
新興汽車應(yīng)用的新需求
現(xiàn)如今，汽車通常都會(huì)搭載高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）（包括車載攝像頭、超聲波感應(yīng)、LiDAR和雷達(dá)）、信息娛樂系統(tǒng)以及車載網(wǎng)絡(luò)等等，而這一切都需要依賴精確的時(shí)序。盡管MEMS振蕩器投產(chǎn)并應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)十多年之久，但搭載ADAS的自動(dòng)駕駛汽車需要更為強(qiáng)大的功能，普通的時(shí)間同步器件顯然已無(wú)法勝任。
汽車領(lǐng)域的需求
可靠性一直以來都是汽車制造商及其電子系統(tǒng)供應(yīng)商所關(guān)注的焦點(diǎn)。石英振蕩器通常采用對(duì)石英晶體進(jìn)行機(jī)械切割和打磨的方式來獲得所需頻率，并封裝在密封的外殼中。但由于晶振的結(jié)構(gòu)比較單薄，極易受到振動(dòng)影響而損壞，因此其頻率通常限制為固定頻率。而且，這類器件的清潔生產(chǎn)等級(jí)也不高。此外，尺寸相對(duì)較大的石英器件在沖擊和振動(dòng)較高的條件下甚至無(wú)法很好地保持性能。
相比之下，MEMS振蕩器則在集成電路（IC）制造廠中生產(chǎn)，因此與其他IC一樣具有非常高的清潔等級(jí)。確切地說，與傳統(tǒng)的晶振相比，抗振動(dòng)能力提高了5倍，MEMS振蕩器的可靠性提高了20倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。
此外，MEMS振蕩器還兼具小巧尺寸和堅(jiān)固耐用的特性。相比之下，晶振的尺寸是有限度的，而且尺寸越小，價(jià)格越貴。在第一批空間很有限的汽車應(yīng)用中，由于晶振尺寸過大，無(wú)法滿足極為嚴(yán)格的空間限制要求，才不得已對(duì)車內(nèi)的部分?jǐn)z像頭進(jìn)行改裝。因此，MEMS技術(shù)自然而然地成為了這批汽車應(yīng)用的理想替代解決方案。此外，ADAS等許多全新汽車應(yīng)用均更為青睞較小的封裝，因此MEMS振蕩器的尺寸成為了取代晶振的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。
MEMS振蕩器還有一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是能夠在極高溫度下保持其頻率穩(wěn)定性。相比之下，石英器件則會(huì)隨著溫度的變化呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，因此很難保持頻率穩(wěn)定性。目前可用的MEMS振蕩器為1級(jí)（即，-40°C至+125°C的環(huán)境工作溫度范圍（根據(jù)AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)））。而新一代MEMS振蕩器將支持更高的溫度，能夠滿足汽車中部分區(qū)域的0級(jí)（-40°C至150°C）需求（見表1）。
表1：以下為AEC-Q100不同等級(jí)的工作溫度
在汽車應(yīng)用中，往往會(huì)由于振蕩器安裝位置的環(huán)境溫度較高和/或需要將振蕩器放置在印刷電路板（PCB）上的特定位置而出現(xiàn)溫度過高的問題。而且，汽車中的連接等級(jí)越高，所需的IC功率也會(huì)越高。這些IC散發(fā)的熱量會(huì)導(dǎo)致附近元件的局部環(huán)境溫度升高。此外，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常需將晶振放置在依靠它工作的IC附近，歷史數(shù)據(jù)表明此類晶振支持3級(jí)。但是，這種情況正在發(fā)生變化。
信息娛樂系統(tǒng)中的微處理器往往會(huì)消耗大量熱量，盡管大多數(shù)汽車內(nèi)部元件被指定為2級(jí)（最高105°C），但靠近處理器的時(shí)鐘需要支持1級(jí)（最高125°C）。由于這些功能強(qiáng)大的處理器很容易使晶振升溫，進(jìn)而導(dǎo)致其因溫度漂移和頻率偏移而超出所需的頻率范圍，因此MEMS振蕩器堪稱絕佳的替代解決方案。如果想要繼續(xù)使用晶振，其中一種解決方案是將其安裝在遠(yuǎn)離處理器的位置，但這樣會(huì)影響PCB上的局部布局。另一種解決方案是使用穩(wěn)定性更高（-50°C至125°C）的晶振，但成本也更高——可能是原來的三倍或三倍以上。
相比之下，MEMS振蕩器因配備有源溫度補(bǔ)償電路而顯得更為出色。該電路可以通過溫度檢測(cè)與調(diào)節(jié)功能實(shí)時(shí)校正溫度變化（每秒多達(dá)30次），從而保持恒定的輸出頻率。這為高溫應(yīng)用帶來了非常精確（誤差低至±20 ppm）的溫度穩(wěn)定性，并且與高穩(wěn)定性晶振相比成本更低。
隨著圖形（GPU）和計(jì)算（CPU）IC及其相關(guān)電源管理IC的性能和處理能力不斷提高，現(xiàn)有晶振勢(shì)必將因相關(guān)方面的局限性而面臨越來越多的挑戰(zhàn)。
MEMS振蕩器技術(shù)
MEMS振蕩器的核心基礎(chǔ)是MEMS諧振器。這是一種由硅蝕刻而成的結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生非常精確的機(jī)械振動(dòng)，從而提供精確的頻率。自由梁短支架（FFS）諧振器設(shè)計(jì)如圖1所示。諧振梁與基板上的四個(gè)錨定位置接觸，它位于基板之上并留有狹小的間隙，以便諧振器能夠自由移動(dòng)。
圖1：該圖所示為使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到的微機(jī)械加工FFS諧振梁（僅為30 × 50 μm）。
FFS諧振梁下方的電極形成了靜電換能器。當(dāng)諧振梁和電極處于不同電壓下時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力。換能器間隙的作用相當(dāng)于時(shí)變電容，偏置時(shí)以諧振頻率產(chǎn)生輸出電流。
為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)，MEMS諧振器將通過封蓋和密封工藝（采用熔接技術(shù)）密封在真空環(huán)境中。由此實(shí)現(xiàn)的晶圓級(jí)封裝可廣泛用于各種注塑IC封裝。圖2顯示了密封MEMS芯片內(nèi)的諧振器如何堆疊到CMOS應(yīng)用特定的集成電路（ASIC）上。MEMS器件通過接合線連接到ASIC芯片。
圖2：此處給出了完整MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)的分解圖。
在ASIC中，片上可一次性編程（OTP）存儲(chǔ)器和縱橫開關(guān)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品靈活性。設(shè)置輸出頻率的PLL和分頻器值以及溫度校準(zhǔn)設(shè)置、輸出協(xié)議選擇、上升/下降時(shí)間控制、使能引腳上拉/下拉值等均存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)器中。
實(shí)際上，MEMS ASIC中可以添加許多功能。例如可以添加多個(gè)輸出，這樣有助于減少所需空間以及實(shí)現(xiàn)石英晶振上無(wú)法添加的功能。或者也可以添加擴(kuò)頻功能，從而減少或避免電磁干擾（EMI）問題。EMI也可能受時(shí)鐘輸出的上升和下降時(shí)間影響。我們當(dāng)時(shí)利用了MEMS振蕩器中ASIC的可編程性來更改時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，非常及時(shí)地解決了這一問題并最終完成了設(shè)計(jì)。
汽車級(jí)MEMS時(shí)序解決方案
最近推出的DSA11x1和DSA11x5均為汽車級(jí)MEMS振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器，它們符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，在-40°C至+125°C的溫度范圍內(nèi)具備出色的頻率穩(wěn)定性（低至±20 ppm），專門用于AEC 1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)應(yīng)用。
這些MEMS振蕩器的相位抖動(dòng)均低于1 ps（典型值），工作頻率范圍為2.3 MHz至170 MHz，并且有2.5 mm x 2.0 mm、3.2 mm x 2.5 mm和5.0 mm x 3.2 mm三種符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的小巧尺寸可供選擇，厚度均為0.85 mm。DSA1105/25在功能上與DSA1101/21相當(dāng)，但上升和下降時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，因此可降低EMI。圖3顯示了這些MEMS振蕩器中集成的模塊。
圖3：MEMS振蕩器中的各個(gè)模塊完美結(jié)合，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。
MEMS振蕩器中的溫度傳感器與其他電路搭配給出芯片溫度的數(shù)字表示，隨后傳送到PLL以校正諧振器絕對(duì)頻率的自然擴(kuò)散以及溫度系數(shù)。圖4所示為利用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性的示例。
圖4：與晶振相比，MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定性顯著提高，特別是在高達(dá)125°C的溫度下。
多輸出MEMS振蕩器
在這些全新推出的符合AEC-Q100的 1級(jí)MEMS振蕩器中，有一款振蕩器是業(yè)界首款雙輸出MEMS振蕩器，即DSA2311。這款振蕩器采用2.5 x 2.0 mm封裝（圖5），可替代電路板上的兩個(gè)晶振或其他振蕩器（見圖6）。該器件的兩個(gè)同步CMOS輸出的范圍均為2.3 MHz至170 MHz。這不但能夠節(jié)省PCB空間，而且還能降低采購(gòu)、庫(kù)存和安裝成本，并最終提高產(chǎn)品集成度。
圖5——Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的封裝尺寸為2.5 x 2.0 mm。
圖6——此處給出了Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的內(nèi)部框圖。
使用雙輸出MEMS振蕩器，可以用單個(gè)器件替代兩個(gè)晶振，從而降低物料清單（BOM）成本。信息娛樂系統(tǒng)通常包含一個(gè)主板和多個(gè)處理器，而其中每個(gè)部分均需要采用單獨(dú)的參考頻率。在這種情況下，可以采用雙輸出MEMS振蕩器來替代多個(gè)時(shí)鐘。由于PCB空間通常比較有限，因此MEMS振蕩器堪稱理想之選，可解決不少問題。圖7顯示了如何在汽車電路中將DSA2311和其他Microchip器件搭配布局。
圖7——該應(yīng)用圖顯示了DSA2311雙輸出MEMS振蕩器如何同時(shí)為兩個(gè)元件提供時(shí)鐘。
表2：此表列出了Microchip符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的1級(jí)MEMS振蕩器及其特性。
Microchip長(zhǎng)久以來都非常注重產(chǎn)品的生命周期，而且始終秉承著“客戶驅(qū)動(dòng)的淘汰”原則，即根據(jù)客戶的需求來決定產(chǎn)品的停產(chǎn)時(shí)間。因此，我們能夠保證為汽車制造商及其供應(yīng)商源源不斷地供應(yīng)MEMS振蕩器，而且供應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他半導(dǎo)體供應(yīng)商。
時(shí)間就是金錢
對(duì)于任何設(shè)計(jì)變更而言，設(shè)計(jì)支持至關(guān)重要。利用Microchip的在線ClockWorks®配置器工具，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)頻率、封裝尺寸和溫度范圍輕松選擇和定制適合其應(yīng)用的MEMS振蕩器，而且還可訂購(gòu)免費(fèi)樣片。此外，使用Clockworks配置器甚至還可以自定義DSA2311雙輸出時(shí)鐘發(fā)生器的兩個(gè)輸出頻率。
雖然客戶使用配置器需要2至5天才能收到樣片，但收到樣片后，設(shè)計(jì)人員可以使用TimeFlash 2現(xiàn)場(chǎng)編程工具包，幾秒鐘即可將空白的現(xiàn)場(chǎng)可編程振蕩器編程為自定義頻率并執(zhí)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。將工具包插入PC的USB端口即可在用戶電腦桌面上進(jìn)行閃存編程。該工具包還能夠測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的頻率精度和功耗，以及測(cè)量電流和穩(wěn)定性。
擁抱改變，成就卓越
在過去的20年里，可靠性已逐漸成為汽車制造商倍加關(guān)注的焦點(diǎn)。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在內(nèi)的其他元件均尚未達(dá)到這一基準(zhǔn)水平。相比之下，MEMS振蕩器已將振蕩器的可靠性提升至IC水平，這對(duì)汽車客戶來說大有裨益。自動(dòng)駕駛等應(yīng)用通常需要達(dá)到最高級(jí)別的可靠性，因此MEMS振蕩器解決方案成為了汽車供應(yīng)商的最佳選擇。如果您仍在猶豫是否要使用MEMS振蕩器來取代晶振，不妨再看看MEMS振蕩器所具備的諸多優(yōu)勢(shì)：更高的頻率穩(wěn)定性、節(jié)省空間、支持更高的溫度以及出色的抗沖擊和振動(dòng)能力等等。目前，已有越來越多的汽車制造商因看重這些優(yōu)勢(shì)而轉(zhuǎn)為采用全新的MEMS振蕩器技術(shù)。
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