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5G为MEMS时钟带来机遇,SiTime解析OCXO高稳秘诀
wangying | 2018-11-07 18:33:54    阅读:6737   发布文章
        MEMS时钟是时钟市场的新势力。近日,SiTime在京举办新闻发布会,SiTime负责市场营销的执行副总裁Piyush Sevalia先生介绍了MEMS时钟状况,及该公司最新产品——面向5G基础设施推出MEMS时序方案Emerald 平台。

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        时钟市场及成长率
        时钟产业大概60亿美元规模,每年的产值成长率大概5%~10%。
MEMS时钟市场目前小于5%的份额,但每年的成长率高达约70%到80%,可见其增速很快,慢慢去渗透进整个时钟市场。
        从半导体历史进程看,半导体的特点是集成度越来越高,所以可以提供越来越多的功能,而且半导体的量产效率较高,一致性也比较高,所以半导体在很多应用场合取代了旧的技术,例如数字存储芯片取代胶卷、磁带和磁盘,晶体管、电子管取代了真空管。“对于时钟产品的技术,随着应用对环境因素要求越来越高,相信传统石英的技术没办法跟上,半导体会慢慢的取代。”Piyush称。
        5G应用的时钟的挑战 
        新兴领域为MEMS时钟方案带来机会。例如5G市场。
        随着进入5G时代,移动运营商的无线设备需要更严格的时间同步,因此必须使用 OCXO(恒温振荡器)。而在5G 之前,这种OCXO 部署在控制良好的环境中。但是现在和即将到来的5G时代,计算、核心网络和无线拆分成系统,部署在不受控制的环境中,如信号塔、屋顶和灯柱。在这些环境下,OCXO 将受到振动和极端温度的影响。
        所以部署架构的这种变化需要新的思考,相比于其他应用,需要有更低的频率稳定性、相位抖动、短稳(阿伦方差)和小尺寸(如下图)。
2QQ截图20181107220518.png        这时,相比于传统的石英定时技术,MEMS解决方案脱颖而出。
        MEMS相比石英方案的优势
        据Yole Development统计,在MEMS时钟市场,SiTime占有90%的份额。近日, SiTime宣布推出了面向 5G 基础设施的MEMS 时序解决方案--Emerald 平台,不仅可将 5G 设备部署到任何环境中的任何地点,包括在恶劣环境下部署 5G 设备,而且体积更小、性能更高,具有可编程性。
        据悉,SiTime 的 Emerald 平台是业界首款 MEMS 恒温振荡器 (OCXO)。OCXO 在时序中提供顶级性能,是所有通信网络可靠运行的关键。
        然而,基于石英的 OCXO 对诸如振动、温度变化和冲击等环境压力因素极为敏感,客户必须采取大量预防措施以确保可靠运行。一大难题是 OCXO 的电路板布局。OCXO 在布局时需要远离压力因素,例如热量和气流诱发的热冲击。这样会导致布线复杂性增加和潜在的信号完整性问题。此外,设计人员也尝试使用专门的塑封型 OCXO 盖进行热隔离,但这会增加制造步骤和生产复杂性。Emerald MEMS OCXO 消除了所有这些问题:它们简化设计(体积更小)、缩短开发时间,同时提升系统性能。具体地,Emerald 平台例如是唯一可以达到3E时钟标准的OCXO,外形尺寸仅为9mm x 7mm(如下图),OCXO频率稳定性达到±5 ppb。

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                          照片 MEMS OCXO比石英方案体积更小
        另外,SiTime还提供可编程性。而传统石英 OCXO 是从头定制的产品。它们在特性的可用性方面存在严重限制,例如频率、输出类型、工作温度和系统内控制。“SiTime 的 Emerald 平台 MEMS OCXO 则没有这些限制。”Piyush先生称,通过使用可编程模拟架构,Emerald OCXO 可提供1~220MHz 范围内任意频率,确保客户能为自己的应用选择最佳频率。此外,该器件还提供 LVCMOS 和限幅正弦波两种输出类型,以实现最佳板性能。在不久的将来,Emerald OCXO 将提供更广阔的工作温度范围(-40 到 +95°C,-40 到 +105°C)和用于系统内编程的 I2C 串行接口。
        Emerald为何可以做得很小?
        原来的石英谐振子在上图的铁壳里,Emerald的谐振子在哪里?
        如下图,其中最小的黑点就是SiTime的谐振子,只有0.4mm×0.4mm。因此SiTime的OCXO才可以做成很小的体积。

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        那么,MEMS为什么抗振性好?
        人们在用传统石英做OCXO时,可能会遇到一个很重要的问题就是外界的振动怎样解决?因为振动会影响压力。
       但是由于SiTime的谐振子非常小,这意味者同样外界的应力对它造成的变异能力就比较小,所以它受外界频率等环境的影响较小。由此可见,从体积/本质上就能解决抗振性的问题。
        频率可编程的优势
        Emerald平台是1~220MHz可编程的,这在5G领域有什么样的应用场景?
        Piyush分为两个部分回答。第一部分,相比固定频率OCXO,随着未来5G系统的复杂性要求较多的时候,系统工程师可能需要的频率不在目前市场上找得到的固定频率可以提供的OCXO。因此1~220MHz的可调频率,可以根据客户未来的需求,迅速提供不同频率。
        第二部分,由于有了I2C在线编程,解放了工程师原来要靠传统OCXO供应商给他一个固定频率,现在工程师通过I2C数字接口,在系统内部就可以通过软件的方式编程OCXO所需要的一个频率。另外,工程师可以通过I2C接口去读取OCXO内部的温度,作为其系统设计时候的一个参考。第三,还可以读取OCXO内部工作的状态,并且可做校正。第四可能是现在都没法实现的,即OCXO有所谓的老化问题,如果5G系统安装到市场上以后,十年以后OCXO的精度变化,系统设备工程师如果要去校正该OCXO,现在的方式只能到是现场拆开机器更换板子或OCXO。通过在线编程,工程师可以做远程校正,因此可以节省人力,这就像手机现在不需要送维修厂,就可以做软件更新一样。
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        耐温从85℃提升到105℃的方法
        Emerald的耐温范围将从85℃提升到105℃,是通过什么方法提高的?Piyush称,实际上,MEMS谐振器本身可以工作到200℃。达到105℃,还是通过电路设计和产品设计。因为半导体本身做105℃不是难事,通过温度补偿电路以及测试的方式,可以让这个产品稳定地工作在105℃。
        具体地,OCXO有一些比较独特的设计,包括预热的电路,包括类似一个恒温箱的东西,它采用了所谓的双MEMS结构来做支持,内部实际上就是用SiTime高稳的OCXO,再把整个系统架构起来。双MEMS架构的好处是可以快速地知道温度的变化,然后进行温度补偿。SiTime的OCXO有一个预热,预热是让整个内部工作温度可以快速达到所希望的工作温度范围。然后再加上温度补偿的电路,让整个可以达到高稳。
        设计与生产
        SiTime的核心竞争技术包含四个方面: MEMS谐振器;锁相环,即混合信号设计的技术;温度补偿技术;封装技术。相较于传统的石英业界的厂商,石英厂商的上述部分技术是从外部引进。

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        SiTime其中的生产是外包,半导体部分(PLL和温度补偿电路)外包给台积电,制程0.18微米;MEMS用在德国博世晶圆厂。封装厂采用半导体产业链标准的IC封装厂,像日月光、还有马来西亚和泰国的一些工厂。
        SiTime做MEMS时钟已有12年
        SiTime是唯一一家专注在时钟领域的MEMS公司,已成立12年,迄今有超过10亿颗产品的出货。这几年,SiTime的产品主要专注在通信方面,还有IoT、汽车等的时钟产品上。公司目前为止有超过三四十个产品系列,有超过100项专利,全球有超过1万家客户,涵盖了200多个应用。
        2014年SiTime被日本Megachips并购,成为其子公司,获得了Megachips财务支持,SiTime可以成长得更快速。2014被并购后,SiTime获得了5到6倍的成长。
        SiTime从2007年第一个纯硅的谐振子问世之后,2011年又开发了全球最小的MEMS的谐振子,2013年开发出全球最小的振荡器,比当时在市场上最小的一个振荡器,体积减小80%,精确度提高4倍。2015年时,SiTime推出低功耗的振荡器,2017年推出所谓高稳产品,今年(2018年)开发出精度更高、可靠性更高的产品,例如Emerald平台。
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