【導讀】新技術取代成熟技術通常能夠帶來功能上的突破。在過去的50多年里，半導體行業一直都在追求更小的尺寸、更快的速度以及更便宜的價格（和/或更高的性能以及可靠性等）。而現如今，汽車應用中的數字電路則對時序要求非常高，相比過去對于微機電系統（MEMS）振蕩器呈現出極大的需求。本文將討論各類汽車應用中出現的這一新興需求，并解釋MEMS與晶振之間的差異。此外，還將介紹一類全新的汽車級MEMS振蕩器，這類振蕩器可滿足大多數時間關鍵型應用的需求，并能為所有應用帶來更高的可靠性。
新興汽車應用的新需求
現如今，汽車通常都會搭載高級駕駛輔助系統（ADAS）（包括車載攝像頭、超聲波感應、LiDAR和雷達）、信息娛樂系統以及車載網絡等等，而這一切都需要依賴精確的時序。盡管MEMS振蕩器投產并應用于汽車領域的時間已長達十多年之久，但搭載ADAS的自動駕駛汽車需要更為強大的功能，普通的時間同步器件顯然已無法勝任。
汽車領域的需求
可靠性一直以來都是汽車制造商及其電子系統供應商所關注的焦點。石英振蕩器通常采用對石英晶體進行機械切割和打磨的方式來獲得所需頻率，并封裝在密封的外殼中。但由于晶振的結構比較單薄，極易受到振動影響而損壞，因此其頻率通常限制為固定頻率。而且，這類器件的清潔生產等級也不高。此外，尺寸相對較大的石英器件在沖擊和振動較高的條件下甚至無法很好地保持性能。
相比之下，MEMS振蕩器則在集成電路（IC）制造廠中生產，因此與其他IC一樣具有非常高的清潔等級。確切地說，與傳統的晶振相比，抗振動能力提高了5倍，MEMS振蕩器的可靠性提高了20倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。
此外，MEMS振蕩器還兼具小巧尺寸和堅固耐用的特性。相比之下，晶振的尺寸是有限度的，而且尺寸越小，價格越貴。在第一批空間很有限的汽車應用中，由于晶振尺寸過大，無法滿足極為嚴格的空間限制要求，才不得已對車內的部分攝像頭進行改裝。因此，MEMS技術自然而然地成為了這批汽車應用的理想替代解決方案。此外，ADAS等許多全新汽車應用均更為青睞較小的封裝，因此MEMS振蕩器的尺寸成為了取代晶振的另一個驅動因素。
MEMS振蕩器還有一項優勢是能夠在極高溫度下保持其頻率穩定性。相比之下，石英器件則會隨著溫度的變化呈現出明顯的非線性特性，因此很難保持頻率穩定性。目前可用的MEMS振蕩器為1級（即，-40°C至+125°C的環境工作溫度范圍（根據AEC-Q100標準））。而新一代MEMS振蕩器將支持更高的溫度，能夠滿足汽車中部分區域的0級（-40°C至150°C）需求（見表1）。
表1：以下為AEC-Q100不同等級的工作溫度
在汽車應用中，往往會由于振蕩器安裝位置的環境溫度較高和/或需要將振蕩器放置在印刷電路板（PCB）上的特定位置而出現溫度過高的問題。而且，汽車中的連接等級越高，所需的IC功率也會越高。這些IC散發的熱量會導致附近元件的局部環境溫度升高。此外，為了保持系統穩定性，通常需將晶振放置在依靠它工作的IC附近，歷史數據表明此類晶振支持3級。但是，這種情況正在發生變化。
信息娛樂系統中的微處理器往往會消耗大量熱量，盡管大多數汽車內部元件被指定為2級（最高105°C），但靠近處理器的時鐘需要支持1級（最高125°C）。由于這些功能強大的處理器很容易使晶振升溫，進而導致其因溫度漂移和頻率偏移而超出所需的頻率范圍，因此MEMS振蕩器堪稱絕佳的替代解決方案。如果想要繼續使用晶振，其中一種解決方案是將其安裝在遠離處理器的位置，但這樣會影響PCB上的局部布局。另一種解決方案是使用穩定性更高（-50°C至125°C）的晶振，但成本也更高——可能是原來的三倍或三倍以上。
相比之下，MEMS振蕩器因配備有源溫度補償電路而顯得更為出色。該電路可以通過溫度檢測與調節功能實時校正溫度變化（每秒多達30次），從而保持恒定的輸出頻率。這為高溫應用帶來了非常精確（誤差低至±20 ppm）的溫度穩定性，并且與高穩定性晶振相比成本更低。
隨著圖形（GPU）和計算（CPU）IC及其相關電源管理IC的性能和處理能力不斷提高，現有晶振勢必將因相關方面的局限性而面臨越來越多的挑戰。
MEMS振蕩器技術
MEMS振蕩器的核心基礎是MEMS諧振器。這是一種由硅蝕刻而成的結構，可產生非常精確的機械振動，從而提供精確的頻率。自由梁短支架（FFS）諧振器設計如圖1所示。諧振梁與基板上的四個錨定位置接觸，它位于基板之上并留有狹小的間隙，以便諧振器能夠自由移動。
圖1：該圖所示為使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察到的微機械加工FFS諧振梁（僅為30 × 50 μm）。
FFS諧振梁下方的電極形成了靜電換能器。當諧振梁和電極處于不同電壓下時，它們之間會產生一個力。換能器間隙的作用相當于時變電容，偏置時以諧振頻率產生輸出電流。
為了實現高品質因數，MEMS諧振器將通過封蓋和密封工藝（采用熔接技術）密封在真空環境中。由此實現的晶圓級封裝可廣泛用于各種注塑IC封裝。圖2顯示了密封MEMS芯片內的諧振器如何堆疊到CMOS應用特定的集成電路（ASIC）上。MEMS器件通過接合線連接到ASIC芯片。
圖2：此處給出了完整MEMS振蕩器結構的分解圖。
在ASIC中，片上可一次性編程（OTP）存儲器和縱橫開關實現了產品靈活性。設置輸出頻率的PLL和分頻器值以及溫度校準設置、輸出協議選擇、上升/下降時間控制、使能引腳上拉/下拉值等均存儲在該存儲器中。
實際上，MEMS ASIC中可以添加許多功能。例如可以添加多個輸出，這樣有助于減少所需空間以及實現石英晶振上無法添加的功能。或者也可以添加擴頻功能，從而減少或避免電磁干擾（EMI）問題。EMI也可能受時鐘輸出的上升和下降時間影響。我們當時利用了MEMS振蕩器中ASIC的可編程性來更改時鐘的上升和下降時間，非常及時地解決了這一問題并最終完成了設計。
汽車級MEMS時序解決方案
最近推出的DSA11x1和DSA11x5均為汽車級MEMS振蕩器和時鐘發生器，它們符合AEC-Q100標準，在-40°C至+125°C的溫度范圍內具備出色的頻率穩定性（低至±20 ppm），專門用于AEC 1級、2級和3級應用。
這些MEMS振蕩器的相位抖動均低于1 ps（典型值），工作頻率范圍為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三種符合行業標準的小巧尺寸可供選擇，厚度均為0.85 mm。DSA1105/25在功能上與DSA1101/21相當，但上升和下降時間相對更長，因此可降低EMI。圖3顯示了這些MEMS振蕩器中集成的模塊。
圖3：MEMS振蕩器中的各個模塊完美結合，在整個溫度范圍內實現了穩定的時鐘頻率。
MEMS振蕩器中的溫度傳感器與其他電路搭配給出芯片溫度的數字表示，隨后傳送到PLL以校正諧振器絕對頻率的自然擴散以及溫度系數。圖4所示為利用該項技術實現溫度穩定性的示例。
圖4：與晶振相比，MEMS振蕩器的頻率穩定性顯著提高，特別是在高達125°C的溫度下。
多輸出MEMS振蕩器
在這些全新推出的符合AEC-Q100的 1級MEMS振蕩器中，有一款振蕩器是業界首款雙輸出MEMS振蕩器，即DSA2311。這款振蕩器采用2.5 x 2.0 mm封裝（圖5），可替代電路板上的兩個晶振或其他振蕩器（見圖6）。該器件的兩個同步CMOS輸出的范圍均為2.3 MHz至170 MHz。這不但能夠節省PCB空間，而且還能降低采購、庫存和安裝成本，并最終提高產品集成度。
圖5——Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的封裝尺寸為2.5 x 2.0 mm。
圖6——此處給出了Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的內部框圖。
使用雙輸出MEMS振蕩器，可以用單個器件替代兩個晶振，從而降低物料清單（BOM）成本。信息娛樂系統通常包含一個主板和多個處理器，而其中每個部分均需要采用單獨的參考頻率。在這種情況下，可以采用雙輸出MEMS振蕩器來替代多個時鐘。由于PCB空間通常比較有限，因此MEMS振蕩器堪稱理想之選，可解決不少問題。圖7顯示了如何在汽車電路中將DSA2311和其他Microchip器件搭配布局。
圖7——該應用圖顯示了DSA2311雙輸出MEMS振蕩器如何同時為兩個元件提供時鐘。
表2：此表列出了Microchip符合汽車標準的1級MEMS振蕩器及其特性。
Microchip長久以來都非常注重產品的生命周期，而且始終秉承著“客戶驅動的淘汰”原則，即根據客戶的需求來決定產品的停產時間。因此，我們能夠保證為汽車制造商及其供應商源源不斷地供應MEMS振蕩器，而且供應時間遠遠超過其他半導體供應商。
時間就是金錢
對于任何設計變更而言，設計支持至關重要。利用Microchip的在線ClockWorks®配置器工具，設計人員可根據頻率、封裝尺寸和溫度范圍輕松選擇和定制適合其應用的MEMS振蕩器，而且還可訂購免費樣片。此外，使用Clockworks配置器甚至還可以自定義DSA2311雙輸出時鐘發生器的兩個輸出頻率。
雖然客戶使用配置器需要2至5天才能收到樣片，但收到樣片后，設計人員可以使用TimeFlash 2現場編程工具包，幾秒鐘即可將空白的現場可編程振蕩器編程為自定義頻率并執行設計驗證。將工具包插入PC的USB端口即可在用戶電腦桌面上進行閃存編程。該工具包還能夠測量標準振蕩器的頻率精度和功耗，以及測量電流和穩定性。
擁抱改變，成就卓越
在過去的20年里，可靠性已逐漸成為汽車制造商倍加關注的焦點。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在內的其他元件均尚未達到這一基準水平。相比之下，MEMS振蕩器已將振蕩器的可靠性提升至IC水平，這對汽車客戶來說大有裨益。自動駕駛等應用通常需要達到最高級別的可靠性，因此MEMS振蕩器解決方案成為了汽車供應商的最佳選擇。如果您仍在猶豫是否要使用MEMS振蕩器來取代晶振，不妨再看看MEMS振蕩器所具備的諸多優勢：更高的頻率穩定性、節省空間、支持更高的溫度以及出色的抗沖擊和振動能力等等。目前，已有越來越多的汽車制造商因看重這些優勢而轉為采用全新的MEMS振蕩器技術。
推薦閱讀：
