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技术文章—汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破( 二 )


相比之下 ， MEMS振荡器因配备有源温度补偿电路而显得更为出色 。 该电路可以通过温度检测与调节功能实时校正温度变化（每秒多达30次） ， 从而保持恒定的输出频率 。 这为高温应用带来了非常精确（误差低至±20 ppm）的温度稳定性 ， 并且与高稳定性晶振相比成本更低 。
随着图形（GPU）和计算（CPU）IC及其相关电源管理IC的性能和处理能力不断提高 ， 现有晶振势必将因相关方面的局限性而面临越来越多的挑战 。
MEMS振荡器技术
MEMS振荡器的核心基础是MEMS谐振器 。 这是一种由硅蚀刻而成的结构 ， 可产生非常精确的机械振动 ， 从而提供精确的频率 。 自由梁短支架（FFS）谐振器设计如图1所示 。 谐振梁与基板上的四个锚定位置接触 ， 它位于基板之上并留有狭小的间隙 ， 以便谐振器能够自由移动 。
技术文章—汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破
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图1：该图所示为使用扫描电子显微镜（SEM）观察到的微机械加工FFS谐振梁（仅为30 × 50 μm） 。
FFS谐振梁下方的电极形成了静电换能器 。 当谐振梁和电极处于不同电压下时 ， 它们之间会产生一个力 。 换能器间隙的作用相当于时变电容 ， 偏置时以谐振频率产生输出电流 。
为了实现高品质因数 ， MEMS谐振器将通过封盖和密封工艺（采用熔接技术）密封在真空环境中 。 由此实现的晶圆级封装可广泛用于各种注塑IC封装 。 图2显示了密封MEMS芯片内的谐振器如何堆叠到CMOS应用特定的集成电路（ASIC）上 。 MEMS器件通过接合线连接到ASIC芯片 。
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图2：此处给出了完整MEMS振荡器结构的分解图 。
在ASIC中 ， 片上可一次性编程（OTP）存储器和纵横开关实现了产品灵活性 。 设置输出频率的PLL和分频器值以及温度校准设置、输出协议选择、上升/下降时间控制、使能引脚上拉/下拉值等均存储在该存储器中 。
实际上 ， MEMS ASIC中可以添加许多功能 。 例如可以添加多个输出 ， 这样有助于减少所需空间以及实现石英晶振上无法添加的功能 。 或者也可以添加扩频功能 ， 从而减少或避免电磁干扰（EMI）问题 。 EMI也可能受时钟输出的上升和下降时间影响 。 我们当时利用了MEMS振荡器中ASIC的可编程性来更改时钟的上升和下降时间 ， 非常及时地解决了这一问题并最终完成了设计 。
汽车级MEMS时序解决方案
最近推出的DSA11x1和DSA11x5均为汽车级MEMS振荡器和时钟发生器 ， 它们符合AEC-Q100标准 ， 在-40°C至+125°C的温度范围内具备出色的频率稳定性（低至±20 ppm） ， 专门用于AEC 1级、2级和3级应用 。
这些MEMS振荡器的相位抖动均低于1 ps（典型值） ， 工作频率范围为2.3 MHz至170 MHz ， 并且有2.5 mm x 2.0 mm、3.2 mm x 2.5 mm和5.0 mm x 3.2 mm三种符合行业标准的小巧尺寸可供选择 ， 厚度均为0.85 mm 。 DSA1105/25在功能上与DSA1101/21相当 ， 但上升和下降时间相对更长 ， 因此可降低EMI 。 图3显示了这些MEMS振荡器中集成的模块 。
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图3：MEMS振荡器中的各个模块完美结合 ， 在整个温度范围内实现了稳定的时钟频率 。
MEMS振荡器中的温度传感器与其他电路搭配给出芯片温度的数字表示 ， 随后传送到PLL以校正谐振器绝对频率的自然扩散以及温度系数 。 图4所示为利用该项技术实现温度稳定性的示例 。
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图4：与晶振相比 ， MEMS振荡器的频率稳定性显著提高 ， 特别是在高达125°C的温度下 。


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