可編程 MEMS 振盪器能滿足對可靠性、效能和短期交貨的需求

從消費性應用、汽車、工業、醫療、通訊、物聯網 (IoT) 到企業應用，系統設計人員必須考慮到許多時序要求及效能特性，尤其是需要支援舊式標準的情形。這些因素包括準確性、精密度、穩定性、系統雜訊、電磁干擾 (EMI)、功耗、輸出類型 (差動或單一)，以及多種展頻曲線。設計人員面臨的挑戰在於，必須以小型尺寸在低功耗下滿足眾多要求。

同時，還必須保持最低的成本和最短的交貨時間，這對客製化配置來有所難度，因為設計人員仍需要大量訂購，而且可能會面臨長達三到五週的前置時間，或是更長時間。這些延遲會減緩原型製作和開發的進度，以及最終產品的生產排程。

為了滿足市場對更高靈活度且高效能計時解決方案的需求，設計人員可使用可編程微機電系統 (MEMS) 振盪器，而非傳統的晶體振盪器。這些產品符合甚至超越品質及效能要求，並且採用標準結構，可根據客製化的要求進行調整。

本文將簡單介紹可編程 MEMS 振盪器，並說明其主要元素。接著會以 SiTime 的元件為例，說明如何挑選這些元件並將其用於滿足許多應用的時序要求，同時縮短前置時間並降低整體成本。

為何要使用可編程 MEMS 振盪器？

MEMS 振盪器興起於 2000 年代，而在此之前，電路時序領域一直是由石英晶體諧振器主宰。不過，在迅速創新與矽製程的使用支援下，MEMS 振盪器在注重品質、可靠性和耐用性要求的設計中，成為首選的解決方案。對許多應用來說，石英振盪器雖然仍是低成本的好選擇，但比起高度整合的可編程 MEMS 元件，前者在導入設計上會更複雜一些。例如，設計人員若使用石英振盪器，就必須挑選正確的諧振器和負載電容，以免發生冷啟動失敗和晶體不符等問題，同時還要將 EMI 降到最低。

可編程 MEMS 元件具有隨插即用的特點，能免除或大幅減輕這些複雜情況。此外更採用簡易的標準化製程搭配小巧體積，因此在本質上就可提供效能、可靠性與彈性。舉例而言，採用大量矽基 MEMS 製程，即可將受污染的機會降至最低，進而減少每一百萬中的不良品數 (DPPM)。如此即可降低成本，但對設計人員來說一樣重要的是，製程會增強品質和可靠度，拉長平均故障間隔時間 (MTBF)。這適用於 -55 ˚C 至 +125 ˚C 的極端環境溫度範圍。

在尺寸方面，MEMS 振盪器的質量小。標準 32 kHz MEMS 振盪器可採用小如針頭的晶片尺寸封裝 (CSP)，因此即使承受振動與衝擊，也非常耐用。此外，可編程 MEMS 振盪器在諧振器和振盪器電路之間沒有外露的電路板連接，而且振盪器電路已針對電氣雜訊條件進行最佳化，因此對電磁干擾的敏感度也降低許多。在結構與設計方面，對電路板雜訊也較不敏感。

可編程 MEMS 振盪器的要件

可編程 MEMS 裝置由 MEMS 諧振器和 CMOS IC 一同封裝而成。此 CMOS IC 含有類比振盪器控制和驅動電路，可產生所需的時脈 (CLK) 輸出 (圖 1)。此電路通常含有分數 N 鎖相迴路 (PLL) 和相關的分頻器、驅動器、穩壓器和溫度補償功能，以及透過靜電激磁來驅動 MEMS 諧振器的電路。圖 1 所示的一次性可編程 (OTP) 記憶體，可用來儲存已編程的參數。

圖 1：MEMS 振盪器具有可編程性，是因為在 CMOS IC 中採用可配置的類比振盪器電路，並在封裝內搭配 MEMS 諧振器，如左側所示 (三種不同類型，根據應用來挑選)。(圖片來源：SiTime)

石英晶體振盪器是根據所需的 CLK 來挑選或製造不同的零件，但可編程 MEMS 振盪器則有所不同，是以晶片分批製造，並針對所需的輸出頻率在現場進行編程。除了頻率外，其他可編程的參數包括電源電壓、頻率穩定性，以及上升／下降時間等等 (圖 2)。

圖 2：多種可編程 MEMS 時序選擇能讓設計人員享有靈活性，以高效率及符合成本效益的方式，在眾多應用中滿足多個系統世代的需求。(圖片來源：SiTime)

此參數式微調功能讓設計人員對輸出頻率進行編程，以確切匹配下游 IC，例如微控制器、微處理器或系統單晶片 (SoC)。除了靈活性外，也不需要外部緩衝器、分頻器或頻率轉換 PLL，因此可大幅降低複雜度並縮短開發時間。

雖然可編程 MEMS 振盪器能大幅減輕設計人員的負擔，但此負擔並未消失，而是轉移至上游的裝置供應商。設計人員則需仰賴供應商在 MEMS、可編程類比和系統上的專業，以確保解決方案可靠、穩定且容易編程。

可編程 MEMS 解決方案

雖然方案很彈性，但任何選項都無法做到「一體適用」，無法涵蓋所有可能的應用和頻率。不過，可編程 MEMS 振盪器在製程和技術上已經有所精進，幾乎可達到上述目標。以 SiTime Elite Platform 旗下的 SiT3521 (圖 3) 和 SiT3522 振盪器為例，就能使用 I2C/SPI 介面進行系統內編程 (ISP)，分別可在 1 MHz 至 340 MHz，以及 340 MHz 至 725 MHz 之間進行編程，增量為 1 Hz。

圖 3：SiT3521 (如圖) 具有數位 I2C/SPI 介面 (右下角)，可在 1 MHz 至 340 MHz 之間編程。其同系列裝置 SiT3522 則可在 340 MHz 至 725 MHz 之間編程。(圖片來源：DigiKey)

如同數位控制振盪器 (DCO)，這些裝置不需要數位類比轉換器 (DAC) 來驅動控制輸入，也不會受到類比雜訊耦合的影響。

此外，由於拉頻是透過 PLL 的分數回授分頻器來達成，因此沒有拉動非線性的問題。在使用分數回授分頻器時，牽引率也不會受限，壓控石英晶體振盪器則可能會受限。因此裝置有 16 個拉頻範圍選項，介於 6.25 ppm 至 3200 ppm 之間。這兩個裝置的相位抖動量非常低 (0.2 ps 左右)，指定的可編程拉動範圍介於 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。拉頻解析度低至 5 ppt，且支援三種訊號類型：LVPECL、LVDS 和 HCSL。

因具備靈活性，因此這些裝置適合網路、伺服器儲存、廣播、電信，以及測試與量測等應用。如果需要向下相容於舊式標準 (例如數位影片傳輸或乙太網路的相關標準)，就必須要適應多種頻率，以及多種抖動與相位雜訊要求。

使用 SiT3521 和 SiT3522 可編程 MEMS 振盪器

在操作方面，SiT3521 和 SiT3522 有兩種模式：「任意頻率」和 DCO。在任意頻率模式中，設計人員可以將裝置重新編程至其支援的任一頻率。要達成此任務，設計人員必須先計算後級分頻器、回授和 mDriver 值，然後將其寫入裝置 (圖 4)。

圖 4：根據 I2C/SPI 振盪器的高階方塊圖，對 SiT3521 和 SiT3522 進行編程時，首先會計算後級分頻器、回授分頻器和 mDriver 值，並以這些計算的一個使用者輸入值，作為目標輸出頻率。(圖片來源：SiTime)

對於這些計算，設計人員唯一需要提供的輸入值，就是所需的輸出頻率。其他輸入值則在分頻器的允許範圍內。請注意，對新值進行編程時，輸出會短暫停用，因此設計人員要將此情況納入考量。

數位控制的流程更簡單。裝置可依據其訂購代碼，最多驅動至標稱工作頻率和拉動範圍。此後，若要設定拉動範圍和輸出頻率，只要寫入到各自的控制暫存器即可 (圖 4 左上角)。然而，有些細微的差異仍需納入考量。例如，最大輸出頻率變化受限於拉動範圍限值。拉動範圍指定為峰對峰偏差的一半，因此峰對峰偏差值為 200 ppm 時，拉動範圍為 ±100 ppm。

在 16 個選項中 (之前提到的 ±6.25 ppm 至 ±3200 ppm)，選定所需的拉動範圍後，拉動範圍會載入到各自的控制暫存器中 (Reg2[3:0]，圖 4)。根據表 1，拉動範圍會影響頻率精確性。

要改變輸出頻率，設計人員需寫入兩種控制字組，先將最低有效字組 (LSW) 寫入 Reg0[15:0]，再將最高有效字組 (MSW) 寫入 Reg0[15:0]。寫入 MSW 後，裝置會改變回授分頻器值，以適應新頻率。這會在 Tdelay 時程內完成 (圖 5)。

圖 5：在 DCO 模式中，寫入 MSW 後會啟動輸出頻率變更，然後在裝置改變回授值 (在 Tdelay 期間)，並趨穩 (Tsettle) 至新值的 1% (F1) 後，即完成變更。(圖片來源：SiTime)

分頻器值設定後，輸出會趨穩至最終頻率值的 1% 以內。和「任意頻率」模式不同的是，輸出並不會在頻率變更期間停用。不過，如果軟體輸出啟用 (OE) 控制功能有啟用，設計人員就能選擇在頻率變更期間手動停用輸出。

若要順利使用裝置，並確保符合應用要求，設計人員可以使用 SiT6712EB 評估板進行實驗。此板件支援 SiT3521 和 SiT3522，具有差動訊號輸出，並採用 10 引腳 QFN 封裝；而且允許評估裝置的各個層面，包括訊號完整性、相位雜訊、相位抖動，以及重新編程的簡易性。此板件支援 LVPECL、LVDS 和 HCSL 輸出訊號類型，並含有探測點，可用於輸出頻率測量。

請務必注意，這些差動震盪器具有次奈秒的上升／下降時間。為了確保準確測量，使用最佳測量做法和優質的主動式探針非常重要 (圖 6)。

圖 6：使用 SiT6712EB 評估板時，使用最佳的高速測量做法很重要，包括使用優質的主動式探針，以及合適的高速差動探針頭。(圖片來源：SiTime)

為了取得最佳結果，主動式探針的頻寬應 >4 GHz，負載電容量應 <1 pF，並使用匹配的高速差動探針頭。隨附的示波器應具有至少 4 GHz 頻寬，以及 50 Ω 輸入。

現成的應用導向型可編程振盪器

當然，可編程 MEMS 振盪器有眾多系列選擇，有些適合網路、廣播和通訊，有些可能因其特性而適用於汽車 (例如 AEC-Q100 認證)，或是工業 (注重高工作溫度範圍等特性)。例如，SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作溫度介於 -40˚C 至 +85˚C；33.333330 代表標稱頻率 (MHz)。

此外，也有適合特定應用的封裝與電壓選項。例如，SiT1532 是低電壓 CMOS (LVCMOS) 1.2 V 振盪器，採用 UFBGA 封裝，覆蓋區為 1.54 mm x 0.84 mm，高度為 0.60 mm (圖 7)。其目標應用為行動與 IoT 領域，標稱頻率為 32.768 kHz。

圖 7：SiT1532 屬於 LVCMOS 可編程 MEMS 振盪器，採用 UFBGA 封裝，適用於 IoT 和行動應用。(圖片來源：SiTime)

針對汽車領域，SiT8924AE 24 MHz 振盪器結合超高的工作溫度範圍 (-55˚C 至 125˚C)，以及小型的無鉛表面黏著元件 (SMD) 封裝，覆蓋區為 2.50 mm x 2.00 mm，高度為 0.80 mm。

這些可編程 MEMS 裝置包含眾多系列，採用標稱頻率的系列有現貨供應，但所有系列皆採用相同的，即晶片。基本上都屬於「現場可編程」振盪器，一開始是晶片，之後在工廠針對一般所需的頻率進行預先編程，然後由 DigiKey 入庫。

客製化振盪器快速出貨

雖然目前有多種振盪器可用，有助於讓一般所需的時序電路快速上市，但並非每位設計人員都想要處理振盪器編程作業 (儘管很容易就能完成)，而且在某些情形下，可能也需要客製化配置。以往，客製化配置可能會需要三到五週的前置時間，才能從工廠出貨。DigiKey 為了解決此問題，在自家倉庫安裝 SiTime 零件專用的自動化編程機 (圖 8)。

圖 8：此圖中，DigiKey 的 SiTime 振盪器專用自動化編程機正將晶片振盪器置入編程插槽中。(圖片來源：DigiKey)

此機器目前有八個插槽，每小時能編程多達 1500 個裝置，可將客製化配置的前置時間縮短至 24 至 48 小時，且沒有最低訂購數量限制。

若要利用這項功能，設計人員可先造訪 DigiKey TechForum 上的 SiTime 可編程振盪器區塊。送出申請後，就會立即傳送電子郵件給 DigiKey 的工程技術人員。技術人員將確認新零件編號，並將編號加入到 DigiKey 網站中。雖然網站可引導設計人員完成訂購流程，但熟悉 SiTime 振盪器配置的命名法也很有幫助 (圖 9)。

圖 9：圖中所示為 SiTime 可編程 MEMS 振盪器一般採用的配置命名法，此例為 SiT2001 基本機型。(圖片來源：SiTime)

結論

許多種應用的系統設計人員都需要靈活的電路時序解決方案，以滿足目前、過去及未來的系統規格與要求。可編程 MEMS 裝置已能符合設計人員的許多要求，不但能節省空間、時間與成本，還能省去多種晶體或 MEMS 振盪器以及相關電路和設計複雜度。

如果需要客製化設計，設計人員不必再等待三至五週，苦等工廠生產出貨。透過 SiTime 裝置專用的編程機，DigiKey 可以在 24 至 48 小時內開始配送客製化配置。