86-0755-27838351
SiTime MEMS振蕩器采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝工藝,采用MEMS諧振器和CMOS芯片構(gòu)建.由于迄今為止已售出的2.5億個(gè)產(chǎn)品中沒(méi)有MEMS諧振器故障,我們無(wú)法計(jì)算MEMS的激活能量(Ea).因此,我們使用CMOS的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Ea=0.7eV作為產(chǎn)品的Ea.我們使用設(shè)備最差情況元素的Ea作為Ea來(lái)計(jì)算我們產(chǎn)品的可靠性指標(biāo),FIT和MTBF.
精密的MEMS貼片式晶體振蕩器需要一個(gè)溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)來(lái)調(diào)整分?jǐn)?shù)N PLL的倍增因子,以便補(bǔ)償MEMS諧振器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的頻率變化.然而,這種補(bǔ)償為TDC的噪聲作為相位噪聲(PN)傳播到溫補(bǔ)晶振的輸出提供了一條路徑.以前的工作已經(jīng)試圖通過(guò)使用高分辨率TDC來(lái)最小化這種噪聲,例如,描述的基于MEMS熱敏電阻的TDC。本文介紹了一種基于雙MEMS晶振的TDC,它對(duì)振蕩器PN沒(méi)有顯著影響。在130Hz帶寬(BW)中,傳感器實(shí)現(xiàn)了40μK的熱噪聲限制分辨率,導(dǎo)致分辨率FOM(能量/轉(zhuǎn)換×分辨率2)為0.12pJK2,比現(xiàn)有技術(shù)高5倍。
電信應(yīng)用要求在1s積分時(shí)間內(nèi)具有優(yōu)于10-10的Allan偏差(ADEV)的時(shí)鐘,或者對(duì)于48MHz金屬面時(shí)鐘晶振在1Hz偏移頻率下具有小于-59dBc的PN,降低30dB/十倍。此類應(yīng)用還需要-40至85°C的±0.1ppm頻率穩(wěn)定性,必須在1°C/s的溫度斜坡和熱瞬態(tài)期間保持,通常在100Hz帶寬內(nèi)。本工作中描述的MEMS振蕩器滿足PN要求,無(wú)需溫度補(bǔ)償(XO)。但是,為了滿足穩(wěn)定性要求,溫度補(bǔ)償(TCXO)是必不可少的。
最佳報(bào)告的TDC分辨率為100μK(rms),10S/s,FOM為13pJK2。在這項(xiàng)工作中,MEMS頻率變化高達(dá)1ppm/K.為避免降低TCXO PN,需要在200S/s下至少50μK的TDC分辨率。為了滿足這一要求而擴(kuò)展架構(gòu)將需要1W的功耗。VCXO晶振傳感器實(shí)現(xiàn)了迄今為止最佳的能效,FOM為0.52pJK2,但在10mK(rms)時(shí),其分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。此外,這兩個(gè)最佳示例都是基于熱敏電阻的,并且在整個(gè)壽命期間不太可能滿足±0.1ppm的穩(wěn)定性要求(包括滯后)。其他TDC類型,例如基于BJT的傳感器,尚未達(dá)到所需的分辨率和能量效率。所提出的雙MEMS諧振器TDC在這項(xiàng)工作中使我們能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分辨率,BW,FOM和穩(wěn)定性。
圖1描述了可編程石英晶體振蕩器,在一個(gè)芯片上有兩個(gè)MEMS諧振器,連接到CMOS芯片,包括兩個(gè)振蕩器維持電路,一個(gè)頻率比引擎和一個(gè)頻率合成器。在該架構(gòu)中,溫度信息來(lái)自兩個(gè)MEMS頻率的比率:溫度檢測(cè)頻率fTS(45MHz)和溫度平坦頻率fTF(47MHz),溫度系數(shù)為-7ppm/K和1ppm/K,分別。因此它們的比率具有約-8ppm/K的溫度系數(shù).
圖2顯示了頻率比引擎,它由一個(gè)嵌套在另一個(gè)內(nèi)的PLL組成。數(shù)字PLL(DPLL)將fTS鎖定為由嵌套模擬小數(shù)N分頻PLL(APLL)提供的fTF的縮放值,并用作DPLL的數(shù)控振蕩器(DCO)。 APLL的小數(shù)除法值是兩個(gè)頻率的縮放比率。DCO的輸出頻率除以10,以優(yōu)化所用過(guò)程中的功率和性能。小數(shù)除法值應(yīng)用于由7階多項(xiàng)式和橢圓低通濾波器組成的TDC數(shù)據(jù)路徑。然后,通過(guò)修改頻率合成器的可編程倍頻器(PFM)值,濾波后的結(jié)果用于穩(wěn)定參考頻率fTF,從而在合成器的輸出端產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率。