MEMS振蕩器解決精密計(jì)時(shí)問(wèn)題

考慮基于分組的網(wǎng)絡(luò)。讓我們假設(shè)你在某處有一個(gè)主時(shí)鐘。僅僅通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)上來(lái)回發(fā)送數(shù)據(jù)包，您將如何確保任何低級(jí)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)具有正確的時(shí)間(即與主時(shí)鐘相同的時(shí)間)？在您回答之前，我想提醒您，每個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中可能采用不同的路徑，這取決于任何其他網(wǎng)絡(luò)流量的當(dāng)前狀態(tài)。我只能說(shuō)，大約在1985年推出的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)可以達(dá)到毫秒級(jí)的精度，而大約在2002年推出的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)可以達(dá)到亞微秒級(jí)的精度，這兩個(gè)協(xié)議都是對(duì)一個(gè)令人難以置信的復(fù)雜問(wèn)題的巧妙解決方案。

大多數(shù)人通常不認(rèn)為汽車和基于分組的網(wǎng)絡(luò)是相關(guān)的，但是它們比你想象的有更多的共同點(diǎn)。例如，今天的汽車可能采用基于分組的網(wǎng)絡(luò)在車輛周圍傳送數(shù)據(jù)，此外，它們可能通過(guò)4G或5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)與外部世界相連，這些網(wǎng)絡(luò)本身也是基于分組的。此外，只是為了開(kāi)心，汽車內(nèi)的片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)備本身可能采用一個(gè)或多個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)基于分組的網(wǎng)絡(luò)來(lái)在設(shè)備內(nèi)的ip功能之間傳輸數(shù)據(jù)(例如，我相信FlexNoc互連IP來(lái)自Arteris，可在70%的汽車ADAS SoCs中找到。

實(shí)際上，雖然這不是有意的，但是上面基于包的討論可能會(huì)有點(diǎn)熏青魚(yú)(一)紅色哈倫，如果你愿意的話)，因?yàn)樗鼈兣c本專欄的核心沒(méi)有特別密切的關(guān)系(這可能有助于你將這些討論視為精神錯(cuò)亂者的胡言亂語(yǔ))。

我想說(shuō)的是(恐怕我失敗了)，電子系統(tǒng)正在發(fā)生變化。如今，幾乎每個(gè)設(shè)備都是智能的，幾乎每個(gè)設(shè)備都是聯(lián)網(wǎng)的。換句話說(shuō)，人們對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的連接性、帶寬和低延遲有著永不滿足的需求。P精確計(jì)時(shí)是包括汽車在內(nèi)的所有智能互聯(lián)電子系統(tǒng)的核心，石英晶體振蕩器是所有精確計(jì)時(shí)解決方案的核心。

當(dāng)然，有多種振蕩器可供選擇。例如，一個(gè)便宜且令人愉悅的RC振蕩器使用一個(gè)電阻和電容以及一個(gè)放大器和正反饋來(lái)產(chǎn)生振蕩信號(hào)，但由于溫度等環(huán)境影響，這種振蕩器的頻率可能會(huì)發(fā)生顯著變化。在光譜的另一端是光學(xué)原子鐘，它利用原子的振蕩來(lái)提供令人難以置信的精確度和準(zhǔn)確度。舉個(gè)例子，最新的這種鐘是如此的精確，以至于——如果它們出現(xiàn)在那個(gè)時(shí)代若其余情況相同(所有其他事情都相同)——自從宇宙在大約137億年前存在以來(lái)，它們不會(huì)失去或增加一秒鐘(你知道，我不在那里，但我母親在我還是個(gè)年輕小伙子的時(shí)候告訴了我所有的事情)。當(dāng)然，在你的汽車上安裝一個(gè)這樣的時(shí)鐘來(lái)提供時(shí)間會(huì)稍微抬高標(biāo)價(jià)。其他選擇包括……但是我們一會(huì)兒將回到這些。

我沉思的原因有兩個(gè)。這一切都是從我閱讀和思考一篇關(guān)于汽車行業(yè)的四大趨勢(shì)艾蒂安·溫克爾穆勒SiTime晶振。如果你想知道，這些趨勢(shì)是電氣化(徹底改變傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù))、共享汽車使用(駕駛可靠性需求)、安全(從被動(dòng)到主動(dòng))和駕駛自動(dòng)化(管理數(shù)據(jù)爆炸)。這讓我與SiTime營(yíng)銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia進(jìn)行了交談。

由于汽車市場(chǎng)如此龐大和多樣，很難為某些事情提供絕對(duì)數(shù)字，但SiTime認(rèn)為，大約在2018年，車輛采用了大約20種計(jì)時(shí)元素。在撰寫(xiě)本文時(shí)，SiTime認(rèn)為這一數(shù)字已經(jīng)增長(zhǎng)到每輛車60個(gè)計(jì)時(shí)元件，到2026年，SiTime預(yù)計(jì)這一數(shù)字將增長(zhǎng)到100個(gè)或更多。

但是，為這些計(jì)時(shí)元件供電的基本振蕩器技術(shù)是什么呢？很高興你問(wèn)了。直到最近，“最常用”的技術(shù)是晶體振蕩器，這是一種使用壓電晶體作為頻率選擇元件的電子振蕩器電路。

第一個(gè)晶體控制振蕩器使用羅謝爾鹽晶體，建于1917年，并于1918年由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的亞歷山大·尼科爾森申請(qǐng)專利。如今，最常用的壓電諧振器是石英晶體。術(shù)語(yǔ)“xtal”是“crystal”的縮寫(xiě)，這就是標(biāo)準(zhǔn)石英晶體振蕩器使用XO別名的原因。

對(duì)振蕩器進(jìn)行分類的一種常見(jiàn)方法是基于它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。這是因?yàn)椋L(zhǎng)期以來(lái)，較高音量振蕩器的主要外部壓力是溫度。因此，精度層次結(jié)構(gòu)的下一層是溫度補(bǔ)償型XO (TCXO ),它專為處理較大的溫度變化而設(shè)計(jì)。然后我們有烤箱控制的XO (OCXO)版本。這些是基于一個(gè)包含石英諧振器和相關(guān)電路的小爐。雖然外部環(huán)境溫度可能會(huì)到處漂移，但烘箱將振蕩器的溫度保持在其晶體理想工作溫度的1°C以內(nèi)。

你可以花不到一美元買到一輛普通的XO，而只需幾美元就可以買到一輛TCXO晶振，OCXO設(shè)備怎么樣？好吧，我這么說(shuō)吧:如果你非要問(wèn)，那你就請(qǐng)不起。說(shuō)真的，低端的OCXO可能要50美元，而高端的超高穩(wěn)定性和超高可靠性振蕩器可能要1000美元左右..如果你批量購(gòu)買，即使假設(shè)最低價(jià)格，一輛汽車中有100輛OCXOs也會(huì)在汽車的基礎(chǔ)價(jià)格上增加50x100美元= 5000美元。現(xiàn)在我知道“貼紙休克”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的來(lái)源了。

Piyush告訴我，如今，穩(wěn)定性不僅僅是溫度穩(wěn)定性；此外，還有許多重要的時(shí)鐘規(guī)格添加敬穩(wěn)定。其中最關(guān)鍵的是相位噪聲(RF)、抖動(dòng)(有線)和GPS的Allan偏差(以及其他應(yīng)用)。

就穩(wěn)定性而言，一些重要的因素是頻率-溫度斜率(dF/dT)，它描述了頻率如何因溫度波動(dòng)和老化(即穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化)而變化。這些特性對(duì)于時(shí)間同步和保持等新特性也至關(guān)重要，這些特性正在核心和邊緣基礎(chǔ)設(shè)施、汽車和工業(yè)應(yīng)用中得到采用。

Piyush提出的一個(gè)非常有趣的觀點(diǎn)是:“我們現(xiàn)在處于智能、互聯(lián)電子時(shí)代。我們希望我們的電子設(shè)備總是以高帶寬和低延遲連接，以便我們可以消費(fèi)各種實(shí)時(shí)服務(wù)。比如汽車中的ADAS，云化，AI等。這導(dǎo)致在非原始條件下部署基礎(chǔ)設(shè)施，如停車場(chǎng)、體育館、社區(qū)的電線桿等。裝有空調(diào)的中央辦公室或遠(yuǎn)程終端環(huán)境的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。在當(dāng)前的部署條件下，設(shè)備不僅會(huì)受到溫度變化的影響；例如，沖擊、振動(dòng)、氣流和濕度這些環(huán)境應(yīng)激源，以及電源噪聲和EMI。所有這些壓力都會(huì)影響上述任何時(shí)間參數(shù)。”

這一切聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)可怕。幸運(yùn)的是，事情并不像看起來(lái)那么糟糕，因?yàn)镾iTime的聰明人提供了基于彈性和可靠的硅MEMS技術(shù)的精確計(jì)時(shí)解決方案。這些解決方案旨在極端條件下運(yùn)行，并提供惡劣環(huán)境中所需的強(qiáng)大系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

讓我們看幾個(gè)例子，將SiTime的MEMS石英晶振解決方案與傳統(tǒng)的晶振解決方案進(jìn)行比較。首先，對(duì)于GPS等一些應(yīng)用，頻率/溫度斜率(dF/dT)比頻率/溫度值重要得多，后者以ppb/°C為單位，溫度斜坡率通常為0.5°C/min或1°C/min，但對(duì)于部署在惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)而言，溫度斜坡率可能高達(dá)5°C/min。下圖顯示了SiTime MEMS TCXO與公開(kāi)市場(chǎng)上各種石英TCXO的dF/dT性能對(duì)比。這表明石英器件的額定溫度頻率值與其溫度頻率斜率之間沒(méi)有相關(guān)性。

dF/dT性能對(duì)比(來(lái)源:SiTime)

艾倫偏差(ADEV)，也稱為短期頻率穩(wěn)定性，是振蕩器在時(shí)域中穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。ADEV用于振蕩器，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)差相比，它可以收斂于更多類型的振蕩器噪聲。下圖比較了MEMS TCXO(Elite超級(jí)TCXO)和同類最佳的50 ppb石英TCXO溫補(bǔ)晶振在使用許多基于CPU的系統(tǒng)中采用的標(biāo)準(zhǔn)冷卻風(fēng)扇的氣流下的性能。正如我們所見(jiàn)，對(duì)SiTime MEMS超級(jí)TCXO幾乎沒(méi)有影響，但性能下降了石英TCXO的38倍。

ADEV性能對(duì)比(來(lái)源:SiTime)

現(xiàn)在讓我們把注意力轉(zhuǎn)向抖動(dòng)(假定周期信號(hào)與真實(shí)周期的偏差)對(duì)通信系統(tǒng)的影響；例如，無(wú)線(如5G)或有線(以太網(wǎng))數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)代車輛，特別是那些具有駕駛輔助(ADAS)或自動(dòng)駕駛功能的車輛，非常依賴數(shù)據(jù)傳輸。他們的多個(gè)攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和其他傳感器每小時(shí)產(chǎn)生高達(dá)20TB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)街醒階DAS計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。對(duì)于傳感器和ADAS計(jì)算機(jī)之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，精確的時(shí)序至關(guān)重要。抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，因此盡可能降低抖動(dòng)至關(guān)重要。Piyush指出，由于其先進(jìn)的MEMS和PLL技術(shù)，SiTime的設(shè)備在這方面處于性能的前沿。

但是等等，還有更多，因?yàn)槲锢碚駝?dòng)很容易機(jī)械耦合到晶體中。在鏈的末端，這轉(zhuǎn)化為更高的時(shí)鐘抖動(dòng)(對(duì)于有線數(shù)據(jù)傳輸)或更差的相位噪聲(對(duì)于RF數(shù)據(jù)傳輸)。Piyush評(píng)論說(shuō):“我們已經(jīng)看到這樣的情況，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)這樣平凡的事情就足以使石英技術(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈路的錯(cuò)誤率達(dá)到不可接受的水平。由于MEMS諧振器的結(jié)構(gòu)、更小的尺寸以及比石英更堅(jiān)固的材料，MEMS定時(shí)技術(shù)可以防止系統(tǒng)中出現(xiàn)這些問(wèn)題，這意味著SiTime設(shè)備幾乎不受振動(dòng)的影響。"

下圖顯示了MEMS振蕩器與同類最佳石英振蕩器在振動(dòng)時(shí)的相位噪聲。在15Hz至2kHz的頻帶內(nèi)，隨機(jī)振動(dòng)幅度為7.5g均方根(RMS)。MEMS振蕩器的這個(gè)振動(dòng)頻帶中的相位噪聲比石英器件低大約10倍。這對(duì)于經(jīng)常暴露在振動(dòng)環(huán)境中的汽車應(yīng)用，或者部署在火車站、地鐵站、機(jī)場(chǎng)和其它有振動(dòng)環(huán)境的地方的通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

振動(dòng)引起的相位噪聲比較(來(lái)源:SiTime)

對(duì)于要求超穩(wěn)定振蕩器的應(yīng)用，最后一個(gè)非常重要的考慮因素是老化，這是由振蕩器內(nèi)部隨時(shí)間發(fā)生的變化引起的。由于MEMS和石英器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和所用材料不同，它們的老化性能有很大差異。MEMS諧振器采用穩(wěn)定的硅材料，沒(méi)有除氣特性。SiTime MEMS諧振器的制造過(guò)程不會(huì)引入諸如在石英諧振器的鋸切和拋光過(guò)程中引入的污染物。下圖顯示了基于MEMS和石英技術(shù)的3E地層振蕩器的30天加速老化。

加速老化的比較(來(lái)源:SiTime)

老實(shí)說(shuō)，我對(duì)SiTime的MEMS振蕩器和時(shí)序解決方案印象非常深刻，這本來(lái)是本專欄的一個(gè)很好的結(jié)束點(diǎn)，所以問(wèn)Piyush他是否還有什么想說(shuō)的是我自己的錯(cuò)，因?yàn)樗钗艘豢跉?，回答如?

到目前為止，我們已經(jīng)從更廣泛的精確定時(shí)角度研究了MEMS相對(duì)于石英的優(yōu)勢(shì)。SiTime的MEMS技術(shù)具有許多額外的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中的時(shí)序參數(shù)。

例如，SiTime MEMS比基于石英晶體振蕩器產(chǎn)品可靠30-50倍，這是通過(guò)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的。MEMS材料具有比鈦更高的拉伸強(qiáng)度，并且在半導(dǎo)體潔凈室中制造以及密封在真空中意味著幾乎沒(méi)有任何雜質(zhì)影響它的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)上，石英一直是電子產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)之一，也是電子產(chǎn)品故障的常見(jiàn)來(lái)源。具有高可靠性的SiTime MEMS在這方面是一個(gè)游戲規(guī)則改變者，尤其是當(dāng)你考慮到與當(dāng)今汽車相關(guān)的功能安全要求時(shí)。

絕大多數(shù)SiTime汽車產(chǎn)品在–40°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)均合格，并且每款汽車產(chǎn)品均符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。這與市面上的許多石英振蕩器產(chǎn)品截然不同，后者僅符合針對(duì)無(wú)源器件的不太嚴(yán)格的AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)(即使它們具有有源電路)，并且通常僅在最高105°C下有效，這種20°C的差異會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。高性能計(jì)算和通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生熱量，工程師花費(fèi)大量材料成本和工程努力來(lái)管理這些熱量。允許他們更靈活地讓系統(tǒng)達(dá)到更高的溫度是一個(gè)很大的好處。

SiTime內(nèi)部設(shè)計(jì)MEMS諧振器和匹配的CMOS有源晶振，使我們能夠定制復(fù)雜的診斷機(jī)制，始終檢測(cè)和報(bào)告時(shí)鐘的健康狀況。因此，SiTime設(shè)備不僅能確保故障率降低30-50倍，還能讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員輕松滿足功能安全要求。

最后，讓我們談?wù)効删幊绦缘木薮蠛锰?。我們的大多?shù)振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器在各種規(guī)格下都是完全可編程的。例如，我們的器件可編程精度高達(dá)小數(shù)點(diǎn)后六位。工作電壓也是可編程的。LVCMOS輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度是可編程的，工程師可以通過(guò)匹配器件的輸出阻抗和走線阻抗來(lái)最大限度地降低走線上的反射。在擴(kuò)頻設(shè)備上，擴(kuò)展的百分比(導(dǎo)致EMI降低)也是可編程的。最后，我們有一些振蕩器可以通過(guò)串行接口編程，以便工程師在系統(tǒng)中配置參數(shù)。

無(wú)論是在原型開(kāi)發(fā)還是大規(guī)模制造過(guò)程中，可編程性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)都是一大優(yōu)勢(shì)。我們可以為客戶提供桌面編程設(shè)備和空白振蕩器部件，讓他們?cè)谡{(diào)整系統(tǒng)性能的幾分鐘內(nèi)嘗試不同的頻率或其他輸出特性。在批量生產(chǎn)中，這種可編程性給了我們巨大的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，并使我們能夠保持較短的交付周期。與quartz不同，在quartz中，每個(gè)頻率都是一個(gè)特殊的切割，因此是一個(gè)特殊的物理過(guò)程，SiTime可以跨頻率使用一個(gè)通用的基本產(chǎn)品，只需使用線端編程即可滿足任何要求。這也節(jié)省了系統(tǒng)表征和認(rèn)證的時(shí)間，因?yàn)槲覀兊钠骷恍枵J(rèn)證一次，而不是針對(duì)每個(gè)不同的頻率。