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工程师Q/A:产品、技术、应用

●  Sitime CEO谈 MEMS 硅晶振5G应用

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DESIGN&ELEKTRONIK编辑Ralf Higgelke与SiTime首席执行官Rajesh Vashist坐下来讨论MEMS时序的新特点,它与传统石英时序的比较,以及5G将如何改变游戏规则。 以下是采访中的一些亮点。

Ralf Higgle(右):石英振荡器有哪些缺点,以及MEMS振荡器如何克服这些缺点?

Rajesh Vashist(RV):动态性能 - 在恶劣和不断变化的环境和系统条件下保持高性能的能力 - 对于诸如5G等许多应用至关重要。然而,石英振荡器无法处理振动,冲击和快速温度变化等动态条件。SiTime通过我们的系统解决方案解决了这些问题,我们相信SiTime产品是5G等高性能系统的首选定时解决方案。我们相信我们的客户和英特尔等合作伙伴已经验证了我们在5G领域的领导地位。在2018年,我们宣布与英特尔合作开发5G的MEMS定时。

可靠性也是石英器件的问题。石英振荡器的可靠性在10亿到3千万小时之间。 SiTime通常提供超过15亿小时的MTBF。我们的MEMS定时解决方案的可靠性对核心电信基础设施和汽车等高性能系统非常重要,这些系统将长期保留在现场。

石英设备的另一个关注领域是其地理上集中的供应链。石英供应商Kyocera也提供世界上大部分的陶瓷封装。如果他们的制造地点存在问题或自然灾害,例如日本的2011年海啸,它可能会扰乱整个石英供应链。SiTime使用半导体供应链,在大多数情况下,使用可从多个供应商处获得的标准塑料封装。

RH:MEMS振荡器有哪些缺点? (价格?收益?)

RV:没有技术限制或缺点。最大的挑战是客户需要知道这些设备是可用的。 今天我们有10,000个客户,但有多达150,000个电子产品客户可以使用我们的产品。

由于石英计时已经存在了90年,石英公司已经开发了比目前MEMS计时更多的产品类型。例如,石英公司提供独立谐振器,我们正在开发中。SiTime还没有提供移动TCXO。但是,随着时间的推移,SiTime MEMS定时产品将覆盖整个市场。

关于价格和产量 - 我们非常有竞争力。我们的MEMS产量在90%范围内。

RH:您现在已售出超过10亿个MEMS定时解决方案。您可以从客户的回答中得出哪些结论,以及您可以从实地回报中得出哪些结论?

RV:过去,许多OEM / ODM设计师学会了通过各种解决方法克服石英的缺点。当定时解决方案运行良好时,振荡器/谐振器的选择通常不是最重要的。然而,随着5G等新标准的发挥,MEMS定时解决方案具有超越石英的巨大优势。在物联网和ADAS等其他领域,MEMS定时具有类似的显着优势。一旦客户看到我们的解决方案和优势,他们就渴望将SiTime设计到他们的应用程序中。

我们的MTBF超过15亿小时。我们的质量是0.6 DPPM,比大多数Tier-1石英公司好10到100倍。客户已经开始期望SiTime提供比石英更高水平的质量和可靠性 - 一旦他们转向MEMS,他们很少回到石英。

RH:最近,SiTime宣布了其Emerald Platform。 你能告诉我更多有关该平台的信息吗? 什么是新的?

RV:Emerald产品是第一款基于MEMS的OCXO。它们旨在解决与夸脱OCXO相关的问题,这些夸脱对高温,热斜坡和振动非常敏感。设计人员通常需要进行3到5次电路板迭代才能正确放置石英OCXO,如果设计仍然显示灵敏度,他们必须使用塑料或金属盖来安装石英OCXO,以将其与周围环境隔离。我们的Emerald Platform™消除了这个问题。我们强大的OCXO可放置在电路板上的任何位置。客户第一次获得正确的位置,可以更快地推出产品并加快收入时间。

除了解决电路板设计问题外,Emerald Platform还在动态稳定性(系统中,存在振动,冲击,温度斜坡)方面设定了新的性能基准,比石英高出20倍 - 新5G必备 基础架构部署 Emerald产品是可编程的,始终可提供1至220 MHz的任何频率,以及一系列频率稳定性,工作温度,输出类型和封装,包括比类似石英OCXO小75%的解决方案。

对于客户而言,我们已经为客户消除了一长串令人头疼的问题,让他们在晚上睡得更香。对于SiTime,Emerald Platform使我们能够扩展到价值15亿美元的电信和网络时序市场的更高端。

RH:Emerald专为5G基础设施而设计。在新闻稿中,您表示时间可能是5G系统中最大的失败点。你能澄清一下吗?

RV:由于多种原因,5G技术将给定时解决方案带来的压力远远超过过去。5G无线电使用毫米波技术,覆盖范围为几百米,而不是4G的千米距离。因此,5G网络将更加密集。更密集的网络使设备更贴近客户,进入更严苛,更少控制的环境,例如在交通信号灯,路灯,建筑物,屋顶和停车场上部署。这些位置具有许多环境压力因素,例如振动,冲击,高温和快速温度变化。这些压力因素导致石英器件失效,我们认为这可能是5G中单个最大的失效点。祖母绿产品对这些环境压力因素的免疫力提高20倍,并确保网络以及在网络上运行的关键任务服务运行良好。

考虑到5G的更密集的部署配置,更高的带宽以及关键任务服务的部署,标准机构正在使无线电到无线电时间精度规格更加严格10倍。在4G中,它是1.5微秒。在5G中,它是130纳秒(ns)。为了满足这一严格的规范,我们认为将需要Emerald OCXO。

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●  Sitime 市场副总裁谈汽车ADAS应用案例

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SiT9386和SiT9387振荡器专为实现最佳性能和稳健性而设计,非常适合汽车以太网和AI处理器。

我与市场营销执行副总裁Piyush Sevalia坐下来了解SiTime汽车产品组合和主要行业趋势的最新消息。

汽车行业为什么要关心 计时 ?

振荡器是任何电子设备的心跳。如果计时装置在汽车中不能正常工作,车辆检测系统将无法提醒驾驶员,卡车的导航系统将无法工作,并且车窗不会上下颠倒。

很快,每辆汽车都将拥有自己的超级计算机来处理来自传感器,雷达,摄像头和控制装置的大量数据。为了确保快速,可靠的数据处理,系统需要良好的时序参考,以提供最佳的可靠性,在冲击和振动等环境压力下表现出色,并随着时间的推移保持其性能。这正是SiTime所提供的,这也是我们在开发无人驾驶汽车方面推动汽车行业发展的方式。

什么使 MEMS 定时适用于汽车?

汽车系统受到一些最恶劣的环境条件的影响。车辆经常受到振动,频繁的冲击,以及快速和极端的温度变化。事实证明,这些动态条件对传统定时技术来说是一个挑战。这是MEMS(微机电系统)具有显着优势的地方。由于其极小的尺寸和独特的结构优势,MEMS比石英谐振器更具弹性。

告诉我们有关SiTime针对ADAS市场的AEC-Q100产品的信息。

SiTime产品将在ADAS应用中发挥关键作用,该市场预计到2020年将达到300亿美元。今年早些时候,我们推出了SiT8924 / 5 LVCMOS振荡器,这是一系列用于汽车系统的超强机械MEMS定时器件,包括所有相机。 SiT9386 / 7 LVPECL / LVDS / HCSL振荡器专为不同的应用而设计,特别是ADAS计算和汽车以太网应用。通过将它们添加到我们的产品组合中,我们能够解决汽车行业最困难的时序挑战。

是什么让 SiT9386 / 7 振荡器非常适合汽车超级计算机?

这些应用需要高性能和可靠性。 SiT9386 / 7振荡器结合了同类最佳的RMS相位抖动(<230 fs典型值),出色的PSNR(0.02 ps / mV)和出色的稳健性。这些产品具有最佳的抗冲击性(10,000 g),最佳的抗振性(70 g)和最低的振动灵敏度(0.1 ppb / g)。

汽车客户如何对 SiT9386 / 7 做出反应?

我们只看到了热情。一些客户正在评估SiT9386和SiT9387的汽车应用,他们在系统中看到了积极的成果。总而言之,客户对我们进入ADAS计算感到非常兴奋,因为我们正在提供一项其他人无法提供的技术。

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●  振荡器驱动负载能力问答

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问:负载如何影响电流消耗?

在大多数应用中,LVCMOS振荡器驱动容性负载。在上升沿期间,器件从电源汲取电流,为负载电容充电。在下降沿期间,电容放电至GND。通过负载的平均电流取决于以下参数:

输出频率(Fout)。这决定了从电源汲取电流的频率。

1.负载电容值(Cload)。较大的电容值需要更多的电流来为负载电容充电

2.电源电压(Vdd)。需要更多的电流将负载充电到更高的电压。

来自负载的附加电源电流计算如下:

I_load = Cload * Vdd * Fout

问:SiTime LVCMOS时钟的输出阻抗是多少?

详见关于《单端振荡器驱动单个或多个负载的建议》的应用笔记附录C中的表格。

问:我可以用SiTime振荡器来驱动大于15pF的负载吗?

可以,具有单端LVCMOS输出的SiTime器件通常规定上升和下降时间为15 pF容性负载。 该器件可能

驱动一个较大的负载,最高60 pF,上升和下降时间较慢。 对于需要快速上升和下降时间(〜1 ns)以及能够驱动大容性负载的应用,可根据要求提供具有高驱动强度输出的缓冲器件。 联系SiTime了解更多详情。

问:使用32 kHz MEMS振荡器驱动多条负载时,是否存在信号完整性(SI)问题?

不可以。μPower32 kHz振荡器的摆率大约为10 ns。 因此,可以驱动多达10“轨迹末端的多个负载,而不用担心信号完整性或反射。有关详细信息,请参阅使用《32.768KHz有源晶振SIT1533和SIT1552与MCU时钟设计》的应用笔记。

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●  可编程晶振相关问题问答

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问:SiTime晶振是可编程的吗?

SiTime晶振采用可编程架构设计,可以在器件工作范围内配置多个参数,包括任何输出频率(精度达到小数点后六位),频率稳定度(ppm)和电源电压。其他功能,如驱动强度可以编程和引脚1的功能可以改变,以符合应用的要求。

根据数量和交货时间的要求,SiTime振荡器可以在工厂进行编程(3到5周的交货时间),由特定的授权经销商编程(24小时交货时间),或者使用时间 Machine II便携式编程器,用于样本量。

问:OE和ST功能有什么区别?

大多数SiTime晶振(引脚1)的特性引脚可以编程为“输出使能”(OE)或“待机”(ST)功能。 在这两种情况下,拉低1引脚可以停止器件的输出振荡,但采用两种不同的方式,如下所述。

对OE引脚施加逻辑低电平仅禁用输出驱动器并将其置于Hi-Z模式,但器件的其余部分仍在运行。由于输出不活动,功耗下降。例如,对于3.3V SiT8003 20 MHz器件,IDD在15 pF负载下从4 mA降至3.3 mA。当OE引脚拉高时,输出通常不到1 us。

当ST引脚拉低时,带ST引脚的器件进入待机模式。器件的所有内部电路都关闭,电流降低到待机电流,一般在几微安培的范围内。当ST被拉为高电平时,器件将执行“恢复”过程,这个过程可能需要3 ms到10 ms。 待机电流和恢复时间在器件数据表中指定。 一些SiTime数据表不具体指定恢复时间; 在这种情况下,恢复时间与“启动时间”相同。

问:我可以编程SiTime器件来驱动大于15 pF的负载吗?

可以,具有单端LVCMOS输出的SiTime器件通常规定上升和下降时间为15 pF容性负载。该器件可能驱动一个较大的负载,最高60 pF,上升和下降时间较慢。对于需要快速上升和下降时间(〜1 ns)以及能够驱动大容性负载的应用,可根据要求提供具有高驱动强度输出的缓冲器件。联系SiTime了解更多详情。

问:我可以调整SiTime晶振的输出上升和下降时间吗?

可以,用户可以通过改变驱动电流强度来调整SiTime振荡器的输出缓冲器。通过增加或减少输出级的最大驱动电流,上升和下降时间可以分别减少或增加。高驱动电流强度可以在驱动较大负载的同时实现更快的上升和下降时间。低驱动电流强度可降低时钟边沿转换速率并降低潜在的EMI。

SiTime提供现场可编程晶振,可与Time Machine II一起使用,这是一款振荡器编程器,允许用户配置各种参数,包括上升和下降时间。

问:我可以用实验室程序员编程SiTime晶振吗?


可以,SiTime提供现场可编程晶振,可与Time Machine™II一起使用,这是一款完整的便携式编程器套件。此工具可以编程频率,电压,稳定性和其他功能特性,如驱动强度或扩频。程序员和现场可编程器件是快速原型设计和优化系统性能的理想之选,通过创建具有自定义频率的即时样本或调整驱动强度。现场可编程振荡器具有业界标准的占位面积,所以它们可以用作传统石英振荡器的直接替换,而无需更换任何电路板。

问:我可以在我的系统中编程一个SiTime晶振吗?

SiTime为系统内可编程性提供以下选项:

带有LVCMOS输出(SiT3907)和差分输出(SiT3921和SiT3922)的数字控制振荡器(DCXO)。 这些振荡器允许用户在很窄的范围内(高达±1600 ppm)和非常高的分辨率(1 ppb)动态地改变输出频率。 这些设备也取代了许多VCXO应用中的模拟接口。

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●  Super-TCXOs器件常见问题

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1. 何谓 TCXO?

TCXO 为温度补偿振荡器,相较于谐振器/晶体(X、XTAL)或时脉产生器,振荡器(XO、TCXO、VCXO)在单一装置内,同时包含谐振器与振荡器线路。

SiTime SiT156x 与 SiT157x Super-TCXOs常见问题2

2. 何谓 SiT156x 与 SiT157x Super-TCXOs?

SiT156x 系列包含 32 kHz Super-TCXOs,SiT157x Super-TCXOs 系列使用 1 Hz 至 1 MHz 频率,两者均主打±5 ppm 稳定度(初始偏移与-40 至+85°C 范围),产品尺寸为 1.2mm2。此外,这些装置在温度快速变化下,皆维持绝佳动态稳定度,让 Super-TCXOs与市面上其他产品明显有别。由于这些 Super-TCXOs 为业界体积最小、最准确、低功耗与低频率的时脉解决方案,非常适用于穿戴式装置、物联网、行动、无线模组,以及其他电池运作、空间受限的产品。


3. SiTime 如何达到准确度、小尺寸、低功耗等需求?


SiTime 采用 Temp Flat MEMS™技术,可制造出体积极小的 MEMS 全矽谐振器,面积仅 0.4mm x 0.4 mm,并搭配精密、低功耗、混合讯号的 PLL 技术,以及精准温度感测器及补偿线路。由完整的 MEMS 及可编程类比系统组成 Super-TCXO,经过仔细校准后,达到最佳准确度、最小封装及最低功耗。

4. 如何运用晶片内温度补偿?

Super-TCXOs 在多个温度点上调校,以确保在-40 至+85°C 范围内可维持绝佳稳定度(±5 ppm)。 Super-TCXOs 内含主动式温度矫正线路,以校准及矫正温度系数。

5. 何种应用需要极准确、超小型、低功耗、低频率的TCXO?

物联网与穿戴式装置产业迅速崛起,正是精准的32 kHz参考时脉最佳应用。举例来说,一般穿戴式应用的电池体积极小(通常< 300 mAHr),且空间也非常有限,Super-TCXO的时脉稳定度±5 ppm,在开关无线介面时会比石英装置更精准,并降低无线介面运作时间,进而延长电池续航力。其他适合使用低频率Super-TCXO的应用包括工业物联网(智慧电表、电子电表、照明、安全)、消费性电子产品(医疗与健康监测器、家庭自动化、携带式音讯)及行动装置(平板电脑、电子书阅读器、手机)。

6. Super-TCXO 在这些应用提供哪些功能?

TCXOs 提供多种计时功能如下:

• 即时时脉参考
• 音讯子系统参考
• 连网介面休眠时脉(蓝牙、蓝牙低功耗、WiFi)

7. 在物联网或穿戴式应用中,哪些地方会使用 32 kHz Super-TCXO 参考时脉?

穿戴式装置一般需要两项32 kHz参考时脉,分别位于BT/BLE晶片休眠时脉与MCU/SOC的即时时脉,由于SiT156x/7x TCXOs为主动式元件,可轻易驱动两项负载,因此优于谐振器。单一SiT156x/7x可取代多项石英XOs或XTALs、减少物料清单、节省空间及成本;在空间受限的电路板上,主动式TCXO亦具备配置弹性之特性。

8. 何谓休眠时脉?

当系统其他区块均闲置、休眠或关闭时,休眠时脉这项参考时脉仍持续运作,32 kHz是最理想的休眠时脉频率,因为功耗最低,亦可轻松切割至一秒为单位(做为计时用)。多数系统需要参考时脉全时运作,以驱动系统即时时脉,如此才能追踪时间变化。而在内含无线连网的系统中,当无线子系统(蓝牙、蓝牙低功耗、WiFi)未运作时,32 kHz休眠时脉可做为低功耗参考时脉。

9. 准确度(稳定度)对休眠时脉及系统功耗有何影响?

在连线状态下,无线子系统以周期休眠模式运作降低功耗,定期苏醒接收中央系统或主机程式讯号。为了在精确的时间苏醒,周边无线装置仰赖 32 kHz 休眠时脉的准确度,过往受到主仆休眠时脉的误差影响,周边装置必须提早苏醒,才不会错过来自主机的讯号,但提早启动会增加功耗,造成功耗减损。相较于传统石英晶体之稳定性为180 至 200 ppm,Super-TCXO 仅±5 ppm,可延长休眠时间,并大幅节省系统功耗。

10. SiT156x 与 SiT157x 系列内含哪些产品?

SiT 1566、SiT 1568 与 SiT 1576 为 Super-TCXO 系列首批装置,均采用 1.5 x 0.8 x 0.6 mm晶片尺寸封装,准确度极高,即便在温度快速变化的环境内,计时稳定度仍可达到± 5 ppm、在低杂讯表现下具备超低 2.5 ns 之最大整合相位抖动(IPJRMS)、35 ns 最佳峰峰周期抖动。为额外提升电路板稳定度,SiT1568 具备自动校准功能,在组装相关压力源造成的误差下,仍可维持±5 ppm 稳定度。 SiT1566 与 SiT1568 的输出频率为 32.768 kHz,SiT1576提供 1 Hz 至 1 MHz 工厂可编程频率。

11. SiT156x 与 SiT157x Super-TCXOs 是否能整合至 SIP 模组?

可以,由于 SiT156x 与 SiT157x TCXOs 均在单一晶片尺寸封装内,包含两颗全矽晶粒,故可纳入 SIP 模组,且 SiT1576 具备独特的内建自动校准功能,可补偿电路板受压力下产生的频率误差,并提升在组装、回流、底填、射出成型后的准确度。

12. 何种应用将受惠于 SIP 与模组?

穿戴式装置、物联网及行动产品均为应用范例。这些应用透过子系统模组化缩小尺寸。行动电话里的模组包括电源管理(PMU、µDC-DC 转换器)、RF/FEM 功率放大器、储存/固态硬碟、连网(BLE, WLAN)等,透过模组化,尺寸可分别缩小 35 %至90%不等。

13. 如何执行自动校准?

系统组装完成、印刷电路板可进行制造测试时,SiT1568 会在最终系统测试阶段自动校准。
• GPS 类型的精准 10 MHz 时脉适用于 SiT1568 应用
• SiT1568 32.768 kHz 时脉对比准确的 10 MHz 时脉
• 排除两者误差詳情請見產品說明書。

14. Super-TCXO 在自动校正前后的一般频率偏移为何?

组装后:±5 ppm射出成型后:±10 至± 20 ppm自动校准后:不到±5 ppm

15. 自动校准过程在生产期间需耗时多久?

一般约两秒,最长五秒内可以完成,且自动调校是在系统测试时执行,与其他系统测试同时进行,故会有时间落差。

16. SiT156x 与 SiT157x Super-TCXO 主要是用来取代 XTAL 或 XO?还是同时取代两者?

SiT156x 与 SiT157x 主要用来取代一至多个石英 XTAL,借以降低系统功耗与规格,这些系列亦可取代低频石英振荡器,进一步缩小尺寸。电池供电产品使用低频时脉,而石英晶体无法兼顾低频与极小封装,而 Super-TCXOs 可达成超小尺寸,以及 1 Hz 至 1MHz 的低频率。

17. SiTime 如何创造这么小的封装尺寸?

小尺寸向来是 MEMS 振荡器优点,石英晶体技术受物理学影响,频率愈低、晶体谐振器体积愈大;MEMS 谐振器则无此限制。 SiTime MEMS 谐振器的一般晶粒尺寸为0.4 x 0.4 mm,质量也只有一般石英晶体谐振器的三千分之一。SiTime MEMS 谐振器完全包覆在矽中,并由 CMOS 晶圆厂制造,可使用晶圆级晶片尺寸封装(WLCSP)等现代晶片封装技术。 SiT156x/7x 装置的封装尺寸为 1.5 x 0.8 mm,亦为业界最小振荡器封装。

18. 谁是竞争对手?

市面上并无直接竞争对手,SiTime 拥有体积最小、功耗最低、准确度最高的解决方案,以下对比石英 32 kHz TCXOs:

SiTime SiT156x 与 SiT157x Super-TCXOs常见问题3

19. SiT156x 与 SiT157x Super-TCXOs 的价格是否具竞争力

是,SiTime 产品价格一项极具竞争力,因为所有装置均以矽材制造,且运用无晶圆厂半导体公司模式,从半导体基础架构获益,故可提供绝佳价格,欢迎洽询参考价格。

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●  振荡器电源噪声抑制问答

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问:对于> 1 MHz振荡器的去耦电容有什么参考建议?

SiTime推荐在所有MHz振荡器的VDD和GND引脚附近放置一个0.1 uF低ESR多层陶瓷芯片电容。

问:SiT15xx系列如何做旁路和去耦?

对于<1 MHz振荡器系列(SiT153x,SiT1552或SiT1630),不需要旁路电容。这些系列具有内部大容量滤波功能,可提供足够的电源滤波功能,适用于高达300 mV峰峰值和10 MHz频率分量的噪声。

问:有什么办法能够更好降低电路噪音?

VDD上的LC和RC滤波器都可以考虑用于电源噪声滤波。 LC滤波器的电压降较小,对于IDD> 5 mA的振荡器系列而言,首选。 RC滤波器可用于5 mA以下的振荡器。 最佳设计和布局实践提供了更多细节。

问:数据表中规定的工作电源电压容差如标称VDD的+/- 10%,意味着器件可以承受的交流纹波噪声的最大幅度?

不可以。数据表中的工作电源电压容差指定了器件已被表征的直流电压范围。这种直流电压容差(通常为标称VDD的10%)不应与电源电压的交流噪声纹波混淆。电源噪声敏感度(PSNS)定义了抑制电源电压交流噪声的能力,电源噪声敏感度(PSNS)用于测量特定电源噪声频谱范围内由交流噪声纹波引起的附加抖动量。

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●  振荡器EMI与PSNR相关问答

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问:SiTime MEMS振荡器抑制EMI能力如何?

SiTime MEMS振荡器旨在实现同类最佳的EMI抑制。 EMI敏感度(EMS)的行业标准测量和性能曲线在应用笔记:《MEMS振荡器与石英晶振的电磁干扰比较》中有记录

问:是否有可以降低EMI问题的MEMS时钟解决方案?

SiTime MEMS振荡器提供两种可配置功能,可解决EMI问题,符合环保要求,而无需对PCB设计进行任何修改。

1.可编程驱动强度
2.降低驱动强度会增加时钟波形的上升 - 下降时间,从而衰减高次谐波下电磁波的功率。
3.数据表中的驱动强度表列出了支持的驱动器强度,各种负载电容可达到的上升 - 下降时间,从5 pf到60 pf。
4.有效减轻来自时钟跟踪的EM。

问:什么类型的扩频时钟建议时钟MCU或FPGA:向下,向上或中心?

大多数MCU和FPGA设计都是作为同步数字模块来实现的。这些块的时钟树来自一个公共的外部时钟参考。SiTime建议使用向下扩展的时钟源,以确保在这些模块中的关键时序路径的过程,VDD和温度之间不会违反建立和保持时间。 了解更多信息,请参阅扩频振荡器页面或应用笔记《SiTime扩频时钟振荡器》

问:SiTime MEMS振荡器为何抗震动和振动优越

SiTime MEMS振荡器与类似的石英晶振器件相比,电路设计的振动敏感度更低,抗冲击能力更强。MEMS振荡器旨在展现最佳的冲击和振动弹性,工业标准测量和冲击和振动性能图表记录在应用笔记中: 《MEMS振荡器与石英振荡器的震动和振动性能比较》

问:>1 MHz振荡器的PSNR度量是什么?

MHz振荡器的电源噪声灵敏度(PSNR)可量化为指定噪声频率下注入的每mV电源噪声所引起的抖动量。 SiTime MEMS MHz振荡器旨在实现10 kHz至20 MHz频率范围内每mV注入电源噪声0.5 ps集成相位抖动(12 kHz至20 MHz)的最佳PSNR性能。

问:什么是<1 MHz振荡器的PSNR度量?

对于kHz振荡器系列(SiT153x,SiT1552,SiT1630)的电源噪声灵敏度(PSNR),根据频率偏差进行量化,在10 KHz至10 MHz的频率范围内,300 mV峰间正弦噪声注入。 上述振荡器系列的PSNR曲线在各个数据表中提供。

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●  MEMS振荡器质量与可靠性问答

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问:SiTime基于MEMS的振荡器是否受到“Activity Dip”的影响?

答:所有的SiTime晶振都不会受此影响。

解释:“Activity Dip”被定义为基于石英晶体的振荡器中频率稳定度的变化。基于晶体的振荡器可能经常在临界温度下表现出Activity Dip,并且随着远离临界值的温度而突然恢复正常的行为。

Activity Dip的最常见原因:

1.“耦合模式” - 不同温度系数的不同晶体振荡模式的碰撞。
2. 晶体内的水分凝结在石英板上。

所有这些效应都可以消耗主要振荡模式的能量,使晶体在不同的晶振模式下摆脱振荡或暂时振荡。

SiTime基于MEMS的振荡器不受这些影响有两个原因:

1.SiTime MEMS振荡模式主要取决于硅的材料特性; 所有模式或寄生响应特性都随着温度的变化而变化,与基本振荡模式完全相同。因此不同的模式不能以相同的频率相互作用并导致下降。

2. SiTime的MEMS First™工艺采用标准的硅制造技术,在非常高温,清洁,真空的环境中密封MEMS。 这为MEMS创造了一个非常干净,无湿气的环境,并且消除了污染或水分引起的Activity Dip的可能性。

问:SiTime的可靠性和质量指标是什么?

SiTime使用行业标准流程来执行,采用加速生命周期压力测试(如HTOL)的产品的可靠性资格。

SiTime发布的关键可靠性指标是FIT或(故障时间),它提供了在10亿小时的操作之后预期的设备故障数量的估计。相关的度量是MTBF(平均无故障时间),这是FIT的倒数。

其他可靠性指标:
EFR - 有效滤过率:
ESD - 静电放电:
LU - 闩锁:
MS - 机械冲击:
VFV - 变频振动:
CA - 恒定的加速度:

所有SiTime产品均采用我们强大的6-Sigma工艺设计并投入生产。产品按照适当的JEDEC和AEC标准进行充分表征和鉴定。为了确保最高质量,SiTime在每个生产批次的样品上对温度范围进行批次验收测试(LAT)。 SiTime的超高质量已经在成千上万的装置上得到了验证。我们实际的现场报废率低于2 DPPM,在半导体行业中名列前茅。经过六年多的出货,SiTime已经没有MEMS领域的故障。

问:MEMS振荡器的Activation Energy是多少?

SiTime MEMS振荡器采用标准的半导体封装工艺,采用MEMS谐振器和CMOS芯片。 由于目前出货量超过2.5亿个产品中没有MEMS谐振器故障,我们无法计算MEMS的Activation Energy(Ea)。因此我们使用CMOS的行业标准Ea = 0.7 eV作为产品的Ea。我们使用设备最坏情况元素的Ea作为Ea来计算我们产品的可靠性度量,FIT和MTBF。有关我们如何计算FIT / MTBF值的更多详细信息,请参阅应用笔记:《SiTime振荡器的可靠性计算》

问:MEMS振荡器的密封效果如何?

SiTime的Epi-Seal™工艺在晶圆处理过程中密封了谐振器,从而消除了对密封封装的任何需求,这是MEMS谐振器非常稳定的关键因素之一。SiTime谐振器Epi-Seal不受大气中最高浓度元素氮气和氧气的影响,因此可算完美密封。大气中还含有微量的亚原子气体:5.24 ppm(氦气)的氦气(ppmv)和0.55 ppmv浓度的氢气。这些气体可以通过Epi-Seal层扩散并进入MEMS谐振腔,导致压力增加。这个压力最终将与这些气体的环境压力相等。氦气泄漏测试通常用于测试密封陶瓷封装,包括与石英振荡器一起使用的封装。然而,对SiTime谐振器密封质量进行氦气泄漏测试是不相关的,因为Epi-Seal不是设计用于密封单原子气体:He和H2。这样的气体在正常的环境操作环境中具有极低的浓度,并且在任何应用中对SiTime谐振器没有不利的操作影响。 有关MEMS谐振器制造工艺的更多信息,请参阅我们的技术文章SiTime的MEMS First™工艺。

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