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MEMS硅晶振替代石英的时代到来 六大工程优势解决电子工程师问题痛点

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随着MEMS优势逐渐被工程师了解和在汽车、通信、网络设备、工业领域的应用快速增加,其成本和可编程易用性不断改善,应用不断向可穿戴和智能家居等消费领域渗透。我爱方案网通过比对石英晶振与MEMS晶振来帮助工程师选型和提高导入新产品的能力。除了成本因素,与传统石英晶振相比,MEMS硅晶振凭借能简化系统设计、拥有高质量高可靠性、对EMI和振动敏感性低、占用板间距空间少、抗冲更强等优势正在改变电子计时市场。我们相信更多电子工程师正在导入更大优势的MEMS硅晶振。

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Sitime是主流MEMS晶振原厂,针对MEMS硅晶振场景应用,SiTime公司已经在主流MCU时钟应用、自动控制、IoT与移动设备、安防与监控、5G/通信、汽车、音频和流媒体等场景快速落地应用。截至目前,SiTime已经向超过10,000家客户交付了数十亿颗元件,其中包括苹果、FitBit、Garmin、海康威视、三星电子、谷歌、微软、戴尔和华美等。

另外,据相关市场研究机构预计,由于5G、物联网(IoT)及自动驾驶驱动,到2024年MEMS振荡器市场规模将达到100亿美元。SiTime已经开始将战略目标重心瞄向拓展汽车、物联网及5G/通信等市场。与传统的石英晶振相比,新型MEMS振荡器正凭借以下六大优势强势入驻各大应用市场。

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1、MEMS振荡器简化了系统设计

从表面上看,使用石英晶体的振荡器设计似乎是直接的,特别是考虑到这项技术的成熟。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,它们是衡量振荡器增益的指标。

此外,并联谐振模式晶体必须考虑负载电容,它应考虑PCB寄生电容,以及可能包含在振荡器电路中的片上集成电容。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的紧密匹配,晶体供应商不能保证晶体的启动。

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相反,MEMS振荡器是一个完整的解决方案。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。由于消除了匹配误差,SiTime保证了振荡器的启动。简而言之,MEMS振荡器是一种即插即用的解决方案,大大简化了系统设计。

2、提供了高可靠性和稳定性

相对于石英晶体的专门制造工艺,MEMS振荡器制造商采用标准的半导体封装工艺,这包括硅片级的谐振器和振荡器集成电路的生产,以及与标准引线框架的塑料封装的模具结合。

SiTime的MEMSFirst?工艺采用标准的硅制造技术,在非常高温,清洁,真空的环境中密封MEMS。这为MEMS创造了一个非常干净,无湿气的环境,并且消除了污染或水分引起的ActivityDip的可能性。

所有SiTime产品均采用强大的6-Sigma工艺设计并投入生产。产品按照适当的JEDEC和AEC标准进行充分表征和鉴定。为了确保最高质量,SiTime在每个生产批次的样品上对温度范围进行批次验收测试(LAT)。SiTime的超高质量已经在成千上万的装置上得到了验证。其实际的现场报废率低于2DPPM,在半导体行业中名列前茅。经过六年多的出货,SiTime已经没有MEMS领域的故障。

3、MEMS振荡器EMI敏感性低

电磁能量,在大多数系统中是常见的,可以通过暴露的PCB痕迹,连接晶体谐振器和包含振荡器电路的集成电路。这种噪声可以耦合到振荡器电路中并传递到输出端,从而增加系统的抖动和噪声。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,连接MEMS谐振器和IC的键合线或球非常短。这使得MEMS振荡器对电磁干扰不太敏感。如下表和图所示,SiTime硅晶振比晶体谐振器低11.3dBm(线性尺度上的134倍)。

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4、MEMS振荡器占用板空间少

MEMS振荡器是一个完全集成的解决方案,不需要外部组件,如电源去耦盖。SiTime的1.5毫米x0.8毫米(1508)足迹小于最小的石英晶体足迹1.6毫米x1.2毫米。当考虑到32kHz石英晶体所需的负载电容时,总板面积或Xtal溶液的体积是原来的3倍以上。

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5、振动敏感度更低,抗冲更强

SiTimeMEMS振荡器与类似的石英晶振器件相比,电路设计的振动敏感度更低,抗冲击能力更强。一些需要非常稳定频率的系统,如无线基站和小小区,可能会因振动而发生系统故障和服务中断。SiTimeMEMS振荡器具有抗振动能力,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。这意味着在MEMS结构上施加一定的加速度,例如冲击或振动,将导致比其石英等效力低得多的力,从而导致更低的频移。

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图5显示,SiTimeMEMS振荡器的振动灵敏度比石英振荡器低10倍以上。请注意,这个数字是基于测量石英振荡器,而不是被动晶体谐振器,但类似的结果是预期的石英晶体谐振器。

6、MEMS硅振荡器任何频率都易获得

与晶体谐振器相比,MEMS谐振器是基于标准谐振器结构的。MEMS振荡器的输出频率是通过对不同乘法值的锁相环编程产生的。这使得频率范围非常宽,精度达到六位数。此外,MEMS硅振荡器是用标准半导体工艺和封装。由于MEMS振荡器厂商利用非常大的半导体工业基础设施,容量实际上是无限的。

MEMS振荡器样品可以编程并在一天内获得,甚至对非标准频率也是如此。通过使用SiTime的低成本时间机器II程序员和现场可编程振荡器,设计者可以在他们的实验室中立即编程振荡器,以创造一个设备的任何频率,任何供电电压和任何稳定的设备在设备的操作范围内。

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二、MEMS硅晶振场景应用

2.1、汽车MEMS计时解决方案

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针对汽车计时系统的应用,SiTime公司凭借突破性技术和快速创新,其MEMS振荡器业务已经覆盖了汽车摄像头、ADAS计算机、以太网、雷达与激光雷达、高精度全球导航卫星系统、信息娱乐系统、引擎与动力系统、无线充电器等。其汽车MEMS振荡器产品的鲁棒性提高了30倍,并AEC-Q100兼容,是为符合ASIL(汽车安全完整性等级)的汽车应用而设计,如先进的驱动辅助系统(ADAS)、车载以太网、动力总成和电子控制单元(ECU)。

其次,根据SiTime的数据显示,每台车有20-70个振荡器机会,每台车MEMS成本为3到10美元,而在这些极端温度和振动恶劣环境中的MEMS振荡器的优势具有:1、最佳稳定性±20ppm,延长温度从-55oC到125o耐冲击,振动和噪音比石英振荡器好50倍;2、最佳可制造性。SOT23最佳焊点可靠性和易于视觉检测;EMI控制,无需PCB更改,可配置上升/下降时间控制。

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简而言之,SiTime拥有强大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振荡器,它们是汽车应用的最佳解决方案,因为它们符合高级驾驶辅助系统(ADAS)的ASIL(汽车安全完整性)车辆以太网,动力总成和电子控制单元(ECU)。

2.2、MEMS硅晶振5G应用

在5G/通信领域,SiTime与英特尔等行业领先企业合作,推动5G的计时创新。

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据SiTime首席执行官RajeshVashist表示,“由于多种原因,5G技术将给定时解决方案带来的压力远远超过过去。5G无线电使用毫米波技术,覆盖范围为几百米,而不是4G的千米距离。因此,5G网络将更加密集。更密集的网络使设备更贴近客户,进入更严苛,更少控制的环境,例如在交通信号灯,路灯,建筑物,屋顶和停车场上部署。

这些位置具有许多环境压力因素,例如振动,冲击,高温和快速温度变化。这些压力因素导致石英器件失效,我们认为这可能是5G中单个最大的失效点。祖母绿产品对这些环境压力因素的免疫力提高20倍,并确保网络以及在网络上运行的关键任务服务运行良好。

考虑到5G的更密集的部署配置,更高的带宽以及关键任务服务的部署,标准机构正在使无线电到无线电时间精度规格更加严格10倍。在4G中,它是1.5微秒。在5G中,它是130纳秒(ns)。”为了满足这一严格的规范,SiTime推出了Emerald产品。

这是第一款基于MEMS的恒温晶振(OCXO)。它们旨在解决与夸脱OCXO相关的问题,这些夸脱对高温,热斜坡和振动非常敏感。设计人员通常需要进行3到5次电路板迭代才能正确放置石英OCXO,如果设计仍然显示灵敏度,他们必须使用塑料或金属盖来安装石英OCXO,以将其与周围环境隔离。RajeshVashist表示,EmeraldPlatform消除了这个问题。其强大的OCXO可放置在电路板上的任何位置。客户第一次获得正确的位置,可以更快地推出产品并加快收入时间。

除了解决电路板设计问题外,EmeraldPlatform还在动态稳定性(系统中,存在振动,冲击,温度斜坡)方面设定了新的性能基准,比石英高出20倍-新5G必备基础架构部署Emerald产品是可编程的,始终可提供1至220MHz的任何频率,以及一系列频率稳定性,工作温度,输出类型和封装,包括比类似石英OCXO小75%的解决方案。

对于客户而言,SiTime公司已经为客户消除了一长串令人头疼的问题,并有中国本地代理商提供编程服务,解决工程样品和批量订货的及时交货难题。对于SiTime,EmeraldPlatform使之能够扩展到价值15亿美元的电信和网络时序市场的更高端。

三、MEMS硅晶振替代案例

硅晶振替代石英晶振的场景正在快速提升,特别在缺货潮中,替代将更加迫切。我爱方案网联合硅晶振原厂Sitime推荐通信设备、工业控制、电源和FPGA配套时钟应用案例,帮助方案商和终端设备制造商做好选型替代,并提供免费研发样片。硅晶振的频点有四大优势,不停振、不跑偏、无温漂,不怕摔,能有效提升产品稳定性和可靠性,特别适合温差大,震动大和频率点多的开发项目。

案例一:SIT8008低功耗可编程振荡器

兼容性:无需PCB改动,直接替代石英晶振;

频率精度:1-110MHZ任一频点,精确小数点后6位;

电压范围:1.8V--3.3V全电压范围;

封装规格:7050、5032、3225、2520、2016全封装范围支持;

样片交货:任一频点,24小时样品供应。

应用场景:以太网设备、服务器、SSD、光通讯、音视频、工业控制、电源等行业应用

产品承诺:立即交付,绿色环保,全程品质保证

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案例二:SIT9121高性能差分晶振

频率精度:1-220MHZ任一频点,精确小数点后6位;

电压范围:2.5V-3.3V电压范围;

封装规格:7050、5032、3225封装;

输出信号:LVDS\LVPECL信号模式;

应用场景:PCI-E时钟、SONET设备、FPGA时钟和系统时钟,存储设备、数据中心设备。

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硅晶振比较石英晶振的老化参数

案例三:SIT535X温补晶振(TCXO)

温补范围:±100ppbupto±220ppb全温度范围内高精度稳定(无温漂);

频率精度:1-220MHZ任一频点,精确小数点后6位;

电压范围:2.5V2.8V3.3V电压;

封装规格:503210-Pin封装;

输出信号:LVCMOS&正弦波输出;

应用场景:小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太网设备、测试仪器、雷达等产品。

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总体而言,随着MEMS硅晶振技术的扩展,传统石英晶振将有机会被替代。与石英晶振相比,MEMS硅晶振突破了多重技术限制,为电子设计工程师解决了时钟电路方案的难点和痛点。

四、MEMS硅晶振产品选型

SiTime公司是硅MEMS时钟市场的领导者。SiTime的可编程解决方案提供了丰富的特性,通过帮助客户提高产品的性能、缩小尺寸、降低功耗并提升可靠性来提高产品的市场竞争力。凭借着高市场份额和超过20亿颗MEMS时钟器件的出货量,SiTime正在变革时钟行业。SiTime产品采用标准半导体制造工艺和高量产塑料封装技术的生产流程,提供业界最强的供货能力和最短的交货时间。

为了加速MEMS硅晶振产品的应用普及及对电子工程师的认知和产品选型替代,使得国内电子方案商和设计工程师快速体验MEMS硅晶振产品带来的高稳定度、超小封装、超低功耗、超低抖动带来的产品体验升级。MEMS硅晶振计时市场的领导者SiTime已经联合我爱方案网推出免费送样活动(详情请点击:https://activity.52solution.com/sitime/或点击“阅读原文”进入专题页面申请),并可通过现金券进行产品批量订货。

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所属栏目: 人工智能 物联网
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