5G為MEMS時(shí)鐘帶來機(jī)遇，SiTime解析OCXO高穩(wěn)秘訣

　　MEMS時(shí)鐘是時(shí)鐘市場(chǎng)的新勢(shì)力。近日，SiTime在京舉辦新聞發(fā)布會(huì)，SiTime負(fù)責(zé)市場(chǎng)營銷的執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia先生介紹了MEMS時(shí)鐘狀況，及該公司最新產(chǎn)品——面向5G基礎(chǔ)設(shè)施推出MEMS時(shí)序方案Emerald 平臺(tái)。

　　時(shí)鐘市場(chǎng)及成長率

　　時(shí)鐘產(chǎn)業(yè)大概60億美元規(guī)模，每年的產(chǎn)值成長率大概5%~10%。

　　MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)目前小于5%的份額，但每年的成長率高達(dá)約70%到80%，可見它的速度增長得非?？?，慢慢去滲透進(jìn)整個(gè)時(shí)鐘市場(chǎng)。

　　從半導(dǎo)體歷史進(jìn)程看，半導(dǎo)體的特點(diǎn)是集成度越來越高，所以可以提供越來越多的功能，而且半導(dǎo)體的量產(chǎn)效率較高，一致性也比較高，所以半導(dǎo)體在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了舊的技術(shù)，例如數(shù)字存儲(chǔ)芯片取代膠卷和磁帶，晶體管、電子管取代了真空管?！皩?duì)于時(shí)鐘產(chǎn)品的技術(shù)，隨著應(yīng)用對(duì)環(huán)境因素要求越來越高，相信傳統(tǒng)石英的技術(shù)沒辦法跟上，半導(dǎo)體會(huì)慢慢的取代。”Piyush稱。

　　5G應(yīng)用的時(shí)鐘的挑戰(zhàn)

　　新興領(lǐng)域?yàn)镸EMS時(shí)鐘方案帶來機(jī)會(huì)。例如5G市場(chǎng)。

　　隨著進(jìn)入5G時(shí)代，移動(dòng)運(yùn)營商的無線設(shè)備需要更嚴(yán)格的時(shí)間同步，因此必須使用 OCXO(恒溫振蕩器)。而在5G 之前，這種OCXO 部署在控制良好的環(huán)境中。但是現(xiàn)在和即將到來的5G時(shí)代，計(jì)算、核心網(wǎng)絡(luò)和無線拆分成系統(tǒng)，部署在不受控制的環(huán)境中，如信號(hào)塔、屋頂和燈柱。在這些環(huán)境下，OCXO 將受到振動(dòng)和極端溫度的影響。

　　所以部署架構(gòu)的這種變化需要新的思考，相比于其他應(yīng)用，需要有更低的頻率穩(wěn)定性、相位抖動(dòng)、短穩(wěn)(阿倫方差)和小尺寸(如下圖)。

　　這時(shí)，相比于傳統(tǒng)的石英定時(shí)技術(shù)，MEMS解決方案脫穎而出。

　　MEMS相比石英方案的優(yōu)勢(shì)

　　據(jù)Yole Development統(tǒng)計(jì)，在MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)，SiTime占有90%的份額。近日， SiTime宣布推出了面向 5G 基礎(chǔ)設(shè)施的MEMS 時(shí)序解決方案--Emerald 平臺(tái)，不僅可將 5G 設(shè)備部署到任何環(huán)境中的任何地點(diǎn)，包括在惡劣環(huán)境下部署 5G 設(shè)備，而且體積更小、性能更高，具有可編程性。

　　據(jù)悉，SiTime 的 Emerald 平臺(tái)是業(yè)界首款 MEMS 恒溫振蕩器 (OCXO)。OCXO 在時(shí)序中提供頂級(jí)性能，是所有通信網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

　　然而，基于石英的 OCXO 對(duì)諸如振動(dòng)、溫度變化和沖擊等環(huán)境壓力因素極為敏感，客戶必須采取大量預(yù)防措施以確?？煽窟\(yùn)行。一大難題是 OCXO 的電路板布局。OCXO 在布局時(shí)需要遠(yuǎn)離壓力因素，例如熱量和氣流誘發(fā)的熱沖擊。這樣會(huì)導(dǎo)致布線復(fù)雜性增加和潛在的信號(hào)完整性問題。此外，設(shè)計(jì)人員也嘗試使用專門的塑封型 OCXO 蓋進(jìn)行熱隔離，但這會(huì)增加制造步驟和生產(chǎn)復(fù)雜性。Emerald MEMS OCXO 消除了所有這些問題：它們簡化設(shè)計(jì)(體積更小)、縮短開發(fā)時(shí)間、加速營收，同時(shí)提升系統(tǒng)性能。具體地，Emerald 平臺(tái)例如是唯一可以達(dá)到3E時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)的OCXO，外形尺寸僅為9mm x 7mm(如下圖)，OCXO頻率穩(wěn)定性達(dá)到±5 ppb。

　　照片 MEMS OCXO比石英方案體積更小

　　另外，SiTime還提供可編程性。而傳統(tǒng)石英 OCXO 是從頭定制的產(chǎn)品。它們?cè)谔匦缘目捎眯苑矫娲嬖趪?yán)重限制，例如頻率、輸出類型、工作溫度和系統(tǒng)內(nèi)控制?！癝iTime 的 Emerald 平臺(tái) MEMS OCXO 則沒有這些限制?！盨iTime負(fù)責(zé)市場(chǎng)營銷的執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia先生稱，通過使用可編程模擬架構(gòu)，Emerald OCXO 可提供1~220MHz 范圍內(nèi)任意頻率，確?？蛻裟転樽约旱膽?yīng)用選擇最佳頻率。此外，該器件還提供 LVCMOS 和限幅正弦波兩種輸出類型，以實(shí)現(xiàn)最佳板性能。在不久的將來，Emerald OCXO 將提供更廣闊的工作溫度范圍(-40 到 +95°C，-40 到 +105°C)和用于系統(tǒng)內(nèi)編程的 I2C 串行接口。

　　Emerald為何可以做得很小?

　　原來的石英諧振子在上圖的鐵殼里，SiTime的諧振子在哪里?

　　如下圖，其中最小的黑點(diǎn)就是SiTime的諧振子，只有0.4mm×0.4mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的體積。

　　那么，MEMS為什么抗振性好?

　　人們?cè)谟脗鹘y(tǒng)石英做OCXO時(shí)，可能會(huì)遇到一個(gè)很重要的問題就是外界的振動(dòng)怎樣解決?因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)影響壓力。

　　但是由于SiTime的諧振子非常小，這意味者同樣外界的應(yīng)力對(duì)它造成的變異能力就比較小，所以它受外界頻率等環(huán)境的影響較小。因此可見，從體積/本質(zhì)上就能解決抗振性的問題。

　　頻率可編程的優(yōu)勢(shì)

　　Emerald平臺(tái)是1~220MHz可編程的，這在5G領(lǐng)域有什么樣的應(yīng)用場(chǎng)景?

　　Piyush分為兩個(gè)部分回答。第一部分，相比固定頻率OCXO，隨著未來5G系統(tǒng)的復(fù)雜性要求比較多的時(shí)候，系統(tǒng)工程師可能需要的頻率不在目前市場(chǎng)上找得到的固定頻率可以提供的OCXO。因此1~220MHz的可調(diào)頻率，可以根據(jù)客戶未來的需求，迅速提供不同頻率。

　　第二部分，由于有了I2C在線編程，解放了工程師原來要靠傳統(tǒng)OCXO供應(yīng)商給他一個(gè)固定水平，現(xiàn)在工程師通過I2C數(shù)字接口，在系統(tǒng)內(nèi)部就可以通過軟件的方式編程OCXO所需要的一個(gè)頻率。另外，工程師可以通過I2C接口去讀取OCXO內(nèi)部的溫度，作為它系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候的一個(gè)參考。第三，還可以讀取現(xiàn)在OCXO內(nèi)部工作的一個(gè)狀態(tài)，確定OCXO現(xiàn)在的狀態(tài)是不是OK，還是它有一些狀況，還需要做校正。第四可能是現(xiàn)在都沒法實(shí)現(xiàn)的，即OCXO有所謂的老化問題，如果5G系統(tǒng)安裝到市場(chǎng)上以后，十年以后OCXO的精度變化，系統(tǒng)設(shè)備工程師如果要去校正這個(gè)OCXO，現(xiàn)在的方式只能到是現(xiàn)場(chǎng)拆開機(jī)器更換板子或更換OCXO。通過在線編程，工程師可以做遠(yuǎn)程校正，因此可以節(jié)省大量人力做設(shè)備更換，這就像手機(jī)現(xiàn)在不需要送維修廠，你就可以做軟件更新。

　　耐溫從85℃提升到105℃的方法

　　Emerald的溫度將從85℃提升到105℃，是通過什么方法提高的?Piyush稱，實(shí)際上，MEMS諧振器本身可以工作到200℃。達(dá)到105℃，還是通過電路設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。因?yàn)榘雽?dǎo)體本身做105℃不是難事，通過溫度補(bǔ)償電路以及測(cè)試的方式，可以讓這個(gè)產(chǎn)品穩(wěn)定地工作在105℃。

　　OCXO有一些比較獨(dú)特的設(shè)計(jì)，包括預(yù)熱的電路，包括類似一個(gè)恒溫箱的東西，它采用了所謂的雙MEMS結(jié)構(gòu)來做支持，他們內(nèi)部實(shí)際上就是用SiTime高穩(wěn)的OCXO，再把整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)起來。雙MEMS架構(gòu)的好處是可以快速地知道溫度的變化，然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償。SiTime的OCXO有一個(gè)預(yù)熱，預(yù)熱是讓整個(gè)內(nèi)部工作溫度可以快速達(dá)到所希望的工作溫度范圍。然后再加上溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，讓整個(gè)可以達(dá)到高穩(wěn)。

　　設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

　　SiTime的核心競爭技術(shù)包含四個(gè)方面： MEMS諧振器;鎖相環(huán)，即混合信號(hào)設(shè)計(jì)的技術(shù);溫度補(bǔ)償技術(shù);封裝技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的石英業(yè)界的廠商，石英廠商的上述技術(shù)很多是從外部引進(jìn)。

　　SiTime生產(chǎn)是外包，半導(dǎo)體部分(PLL和溫度補(bǔ)償電路)外包給臺(tái)積電，制程0.18微米;MEMS用在德國博世晶圓廠。封裝廠采用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈標(biāo)準(zhǔn)的IC封裝廠，像日月光、還有馬來西亞和泰國的工廠。

　　SiTime公司崛起12年

　　SiTime是唯一一家專注在時(shí)鐘領(lǐng)域的MEMS公司，成立12年。已有超過10億顆產(chǎn)品的出貨。這幾年，SiTime的產(chǎn)品主要專注在通信方面，還有IoT、汽車方面的時(shí)鐘產(chǎn)品上。

　　SiTime目前為止有超過三四十個(gè)產(chǎn)品系列。有超過100項(xiàng)專利，全球有超過1萬家客戶，涵蓋了200多個(gè)應(yīng)用。

　　2014年SiTime被日本Megachips并購，成為其子公司，獲得了Megachips財(cái)務(wù)支持，SiTime可以成長得更快速。2014被并購后，SiTime獲得了5到6倍的成長。

　　SiTime從2007年第一個(gè)純硅的諧振子問世之后，2011年又開發(fā)了全球最小的MEMS的諧振子，2013年開發(fā)出全球最小的振蕩器，比當(dāng)時(shí)在市場(chǎng)上最小的一個(gè)振蕩器，體積減小80%，精確度提高4倍。2015年時(shí)，SiTime推出低功耗的振蕩器，2017年推出所謂高穩(wěn)產(chǎn)品，今年(2018年)開發(fā)出精度更高、可靠性更高的產(chǎn)品，例如Emerald平臺(tái)。