Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)

與此相反，CMEMS諧振器采用兩種材料制造：多晶鍺硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如圖7所示，SiO2有一個(gè)與SiGe相反的溫度系數(shù)。Si50x諧振器中對(duì)這些材料溫度系數(shù)的平衡和設(shè)計(jì)生成個(gè)位數(shù)ppm/℃的溫度系數(shù)，如圖8所示。這種復(fù)合材料補(bǔ)償提供了諧振器的被動(dòng)補(bǔ)償，允許CMOS系統(tǒng)使用更小、更簡(jiǎn)單、更低電能和更高成本效率的電路，以便更精確的補(bǔ)償整個(gè)產(chǎn)品運(yùn)行生命周期中的頻率漂移。

圖7. 模擬的SiO2和SiGe未補(bǔ)償?shù)臏囟认禂?shù)曲線圖顯示±30-40ppm/℃

圖8. 被動(dòng)補(bǔ)償?shù)腟iGe+SiO2諧振器曲線圖（紅線）顯示~1ppm/℃溫度系數(shù)

例如，如果諧振器有較大的溫度系數(shù)，降低諧振器溫度系數(shù)意味著來(lái)自溫度傳感器的隨機(jī)測(cè)量波動(dòng)（噪聲）將按照更小的因數(shù)成比例關(guān)系驅(qū)動(dòng)頻率鎖環(huán)路（FLL）產(chǎn)生預(yù)期的輸出時(shí)鐘。因此，一個(gè)更低功率（高噪聲）的溫度傳感器能夠用于獲得與未補(bǔ)償諧振器相同的性能等級(jí)。此外，因?yàn)楸粍?dòng)補(bǔ)償?shù)闹C振器的溫度系數(shù)與未補(bǔ)償?shù)闹C振器（~-1ppm 對(duì) ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的溫度計(jì)錯(cuò)誤幾乎不怎么影響振蕩器系統(tǒng)性能。

Si50x CMEMS系列產(chǎn)品使用被動(dòng)補(bǔ)償諧振器作為其參考頻率。它采用成本優(yōu)化的、低功耗數(shù)字FLL架構(gòu)去產(chǎn)生設(shè)備的系統(tǒng)和輸出時(shí)鐘，如圖9所示。FLL使用MEMS參考頻率連同來(lái)自片上數(shù)字控制的VCO的分頻信號(hào)一起驅(qū)動(dòng)頻率比較器，該比較器可生成頻率誤差值并反饋它們給FLL數(shù)字環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器累積并進(jìn)一步連同數(shù)字溫度補(bǔ)償信息一起處理頻率誤差值，生成數(shù)字碼以通過(guò)DAC傳輸?shù)絍CO，最終生成目標(biāo)輸出頻率。

圖9. Si50x CMEMS振蕩器架構(gòu)和框圖

該器件也使用溫度補(bǔ)償?shù)男畔⑷サ窒魏蜯EMS振蕩器的溫度漂移。為了使FLL產(chǎn)生數(shù)字溫度補(bǔ)償信息，振蕩器使用高分辨率、低噪聲溫度傳感器和溫度補(bǔ)償算法。在最終測(cè)試中，每個(gè)芯片針對(duì)溫度和MEMS諧振頻率對(duì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并把數(shù)值存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器。當(dāng)溫度變動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償電路使用該校準(zhǔn)信息去為FLL器件驅(qū)動(dòng)相關(guān)的高次多項(xiàng)式。采用CMEMS技術(shù)的單芯片集成電路使得頻率控制系統(tǒng)變得快速和精準(zhǔn)。由于整個(gè)系統(tǒng)在密閉的亞微米距離內(nèi)，因此具有非常緊密的熱耦合特性。

圖10. Si50x CMEMS全溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性

完整的FLL過(guò)程每秒發(fā)生成千上萬(wàn)次，提供全溫度范圍內(nèi)極好的頻率精確度和穩(wěn)定度，如圖10所示，振蕩器也提供了這種環(huán)路架構(gòu)的低功耗版本，它把FLL采樣周期降低到一個(gè)較長(zhǎng)的周期，并且提供低偏置電路給VCO，這為需要滿足相關(guān)抖動(dòng)規(guī)范的應(yīng)用減少一半以上的功耗。

Si50x振蕩器負(fù)荷測(cè)試性能

使用CMEMS工藝的器件在整個(gè)生命周期、溫度范圍和各種負(fù)荷中提供比其它現(xiàn)有技術(shù)更穩(wěn)定的振蕩器性能。這些好處將會(huì)減少現(xiàn)場(chǎng)故障，提高整個(gè)生命周期內(nèi)的系統(tǒng)可靠性，幫助系統(tǒng)免于外部影響，從而獲得更高可靠性。

使用經(jīng)典的“魔鬼測(cè)試”，包括暴露在驟冷和驟熱環(huán)境中，能夠幫助快速驗(yàn)證CMEMS相關(guān)選項(xiàng)的好處。正如我們之前在圖11和圖12中討論和演示的內(nèi)容，雙組件的解決方案容易受到熱遲延影響，很難進(jìn)行熱環(huán)境下的系統(tǒng)補(bǔ)償，導(dǎo)致操作頻率有很大偏差。換句話說(shuō)，單片CMEMS解決方案僅有極小的變化。這在非控制的或非預(yù)期的環(huán)境中提供了更好的穩(wěn)定性。值得注意的是在兩幅圖中通過(guò)閉合的高精度Y軸坐標(biāo)上展示了Si50x CMEMS振蕩器的變化，而對(duì)于傳統(tǒng)的晶體振蕩器和MEMS振蕩器圖來(lái)說(shuō)，由于偏差太大，它們?cè)谕瑯痈呔鹊腨軸上難以觀察。

圖11. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器的驟熱測(cè)試結(jié)果

圖12. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器驟冷測(cè)試結(jié)果對(duì)比

與現(xiàn)有的混合技術(shù)相比，CMEMS長(zhǎng)期老化性能也很優(yōu)秀。圖13提供了幾個(gè)晶體和MEMS振蕩器與Si50x CMEMS振蕩器的對(duì)比圖。在這個(gè)圖中，晶體振蕩器根據(jù)MIL-0-5530B在70℃進(jìn)行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃進(jìn)行老化，然后推算到相同時(shí)間。此外，CMEMS芯片對(duì)現(xiàn)有的MEMS技術(shù)方法進(jìn)行了相當(dāng)多的改進(jìn)，為采用CMEMS技術(shù)的系統(tǒng)提供了整個(gè)生命周期內(nèi)的更高穩(wěn)定性。

圖13. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測(cè)試結(jié)果對(duì)比

Si50x CMEMS 振蕩器系列產(chǎn)品

Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品包括針對(duì)工業(yè)、嵌入式和消費(fèi)電子市場(chǎng)的四種可編程芯片，如表1所示。每種芯片都可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)定制。網(wǎng)絡(luò)定制的樣片可在兩周內(nèi)交付。芯片也可在客戶辦公室使用現(xiàn)場(chǎng)編程器電路板進(jìn)行編程，如圖14所示。這種靈活的可編程性，使得Si50x系列產(chǎn)品可以快速滿足客戶的特殊需求。

表1 - Si50x CMEMS振蕩器系列產(chǎn)品概述