MEMS振蕩器解決精密計(jì)時(shí)問題

考慮基于分組的網(wǎng)絡(luò)。讓我們假設(shè)你在某處有一個(gè)主時(shí)鐘。僅僅通過在網(wǎng)絡(luò)上來回發(fā)送數(shù)據(jù)包，您將如何確保任何低級(jí)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)具有正確的時(shí)間(即與主時(shí)鐘相同的時(shí)間)？在您回答之前，我想提醒您，每個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中可能采用不同的路徑，這取決于任何其他網(wǎng)絡(luò)流量的當(dāng)前狀態(tài)。我只能說，大約在1985年推出的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)可以達(dá)到毫秒級(jí)的精度，而大約在2002年推出的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)可以達(dá)到亞微秒級(jí)的精度，這兩個(gè)協(xié)議都是對(duì)一個(gè)令人難以置信的復(fù)雜問題的巧妙解決方案。

大多數(shù)人通常不認(rèn)為汽車和基于分組的網(wǎng)絡(luò)是相關(guān)的，但是它們比你想象的有更多的共同點(diǎn)。例如，今天的汽車可能采用基于分組的網(wǎng)絡(luò)在車輛周圍傳送數(shù)據(jù)，此外，它們可能通過4G或5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)與外部世界相連，這些網(wǎng)絡(luò)本身也是基于分組的。此外，只是為了開心，汽車內(nèi)的片上系統(tǒng)(SoC)設(shè)備本身可能采用一個(gè)或多個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)基于分組的網(wǎng)絡(luò)來在設(shè)備內(nèi)的ip功能之間傳輸數(shù)據(jù)(例如，我相信FlexNoc互連IP來自Arteris，可在70%的汽車ADAS SoCs中找到。

實(shí)際上，雖然這不是有意的，但是上面基于包的討論可能會(huì)有點(diǎn)熏青魚(一)紅色哈倫，如果你愿意的話)，因?yàn)樗鼈兣c本專欄的核心沒有特別密切的關(guān)系(這可能有助于你將這些討論視為精神錯(cuò)亂者的胡言亂語)。

我想說的是(恐怕我失敗了)，電子系統(tǒng)正在發(fā)生變化。如今，幾乎每個(gè)設(shè)備都是智能的，幾乎每個(gè)設(shè)備都是聯(lián)網(wǎng)的。換句話說，人們對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的連接性、帶寬和低延遲有著永不滿足的需求。P精確計(jì)時(shí)是包括汽車在內(nèi)的所有智能互聯(lián)電子系統(tǒng)的核心，石英晶體振蕩器是所有精確計(jì)時(shí)解決方案的核心。

當(dāng)然，有多種振蕩器可供選擇。例如，一個(gè)便宜且令人愉悅的RC振蕩器使用一個(gè)電阻和電容以及一個(gè)放大器和正反饋來產(chǎn)生振蕩信號(hào)，但由于溫度等環(huán)境影響，這種振蕩器的頻率可能會(huì)發(fā)生顯著變化。在光譜的另一端是光學(xué)原子鐘，它利用原子的振蕩來提供令人難以置信的精確度和準(zhǔn)確度。舉個(gè)例子，最新的這種鐘是如此的精確，以至于——如果它們出現(xiàn)在那個(gè)時(shí)代若其余情況相同(所有其他事情都相同)——自從宇宙在大約137億年前存在以來，它們不會(huì)失去或增加一秒鐘(你知道，我不在那里，但我母親在我還是個(gè)年輕小伙子的時(shí)候告訴了我所有的事情)。當(dāng)然，在你的汽車上安裝一個(gè)這樣的時(shí)鐘來提供時(shí)間會(huì)稍微抬高標(biāo)價(jià)。其他選擇包括……但是我們一會(huì)兒將回到這些。

我沉思的原因有兩個(gè)。這一切都是從我閱讀和思考一篇關(guān)于汽車行業(yè)的四大趨勢艾蒂安·溫克爾穆勒SiTime晶振。如果你想知道，這些趨勢是電氣化(徹底改變傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù))、共享汽車使用(駕駛可靠性需求)、安全(從被動(dòng)到主動(dòng))和駕駛自動(dòng)化(管理數(shù)據(jù)爆炸)。這讓我與SiTime營銷執(zhí)行副總裁Piyush Sevalia進(jìn)行了交談。

由于汽車市場如此龐大和多樣，很難為某些事情提供絕對(duì)數(shù)字，但SiTime認(rèn)為，大約在2018年，車輛采用了大約20種計(jì)時(shí)元素。在撰寫本文時(shí)，SiTime認(rèn)為這一數(shù)字已經(jīng)增長到每輛車60個(gè)計(jì)時(shí)元件，到2026年，SiTime預(yù)計(jì)這一數(shù)字將增長到100個(gè)或更多。

但是，為這些計(jì)時(shí)元件供電的基本振蕩器技術(shù)是什么呢？很高興你問了。直到最近，“最常用”的技術(shù)是晶體振蕩器，這是一種使用壓電晶體作為頻率選擇元件的電子振蕩器電路。

第一個(gè)晶體控制振蕩器使用羅謝爾鹽晶體，建于1917年，并于1918年由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的亞歷山大·尼科爾森申請(qǐng)專利。如今，最常用的壓電諧振器是石英晶體。術(shù)語“xtal”是“crystal”的縮寫，這就是標(biāo)準(zhǔn)石英晶體振蕩器使用XO別名的原因。

對(duì)振蕩器進(jìn)行分類的一種常見方法是基于它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。這是因?yàn)?，長期以來，較高音量振蕩器的主要外部壓力是溫度。因此，精度層次結(jié)構(gòu)的下一層是溫度補(bǔ)償型XO (TCXO ),它專為處理較大的溫度變化而設(shè)計(jì)。然后我們有烤箱控制的XO (OCXO)版本。這些是基于一個(gè)包含石英諧振器和相關(guān)電路的小爐。雖然外部環(huán)境溫度可能會(huì)到處漂移，但烘箱將振蕩器的溫度保持在其晶體理想工作溫度的1°C以內(nèi)。

你可以花不到一美元買到一輛普通的XO，而只需幾美元就可以買到一輛TCXO晶振，OCXO設(shè)備怎么樣？好吧，我這么說吧:如果你非要問，那你就請(qǐng)不起。說真的，低端的OCXO可能要50美元，而高端的超高穩(wěn)定性和超高可靠性振蕩器可能要1000美元左右..如果你批量購買，即使假設(shè)最低價(jià)格，一輛汽車中有100輛OCXOs也會(huì)在汽車的基礎(chǔ)價(jià)格上增加50x100美元= 5000美元。現(xiàn)在我知道“貼紙休克”這個(gè)術(shù)語的來源了。

Piyush告訴我，如今，穩(wěn)定性不僅僅是溫度穩(wěn)定性；此外，還有許多重要的時(shí)鐘規(guī)格添加敬穩(wěn)定。其中最關(guān)鍵的是相位噪聲(RF)、抖動(dòng)(有線)和GPS的Allan偏差(以及其他應(yīng)用)。

就穩(wěn)定性而言，一些重要的因素是頻率-溫度斜率(dF/dT)，它描述了頻率如何因溫度波動(dòng)和老化(即穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化)而變化。這些特性對(duì)于時(shí)間同步和保持等新特性也至關(guān)重要，這些特性正在核心和邊緣基礎(chǔ)設(shè)施、汽車和工業(yè)應(yīng)用中得到采用。

Piyush提出的一個(gè)非常有趣的觀點(diǎn)是:“我們現(xiàn)在處于智能、互聯(lián)電子時(shí)代。我們希望我們的電子設(shè)備總是以高帶寬和低延遲連接，以便我們可以消費(fèi)各種實(shí)時(shí)服務(wù)。比如汽車中的ADAS，云化，AI等。這導(dǎo)致在非原始條件下部署基礎(chǔ)設(shè)施，如停車場、體育館、社區(qū)的電線桿等。裝有空調(diào)的中央辦公室或遠(yuǎn)程終端環(huán)境的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了。在當(dāng)前的部署條件下，設(shè)備不僅會(huì)受到溫度變化的影響；例如，沖擊、振動(dòng)、氣流和濕度這些環(huán)境應(yīng)激源，以及電源噪聲和EMI。所有這些壓力都會(huì)影響上述任何時(shí)間參數(shù)。”

這一切聽起來相當(dāng)可怕。幸運(yùn)的是，事情并不像看起來那么糟糕，因?yàn)镾iTime的聰明人提供了基于彈性和可靠的硅MEMS技術(shù)的精確計(jì)時(shí)解決方案。這些解決方案旨在極端條件下運(yùn)行，并提供惡劣環(huán)境中所需的強(qiáng)大系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

讓我們看幾個(gè)例子，將SiTime的MEMS石英晶振解決方案與傳統(tǒng)的晶振解決方案進(jìn)行比較。首先，對(duì)于GPS等一些應(yīng)用，頻率/溫度斜率(dF/dT)比頻率/溫度值重要得多，后者以ppb/°C為單位，溫度斜坡率通常為0.5°C/min或1°C/min，但對(duì)于部署在惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)而言，溫度斜坡率可能高達(dá)5°C/min。下圖顯示了SiTime MEMS TCXO與公開市場上各種石英TCXO的dF/dT性能對(duì)比。這表明石英器件的額定溫度頻率值與其溫度頻率斜率之間沒有相關(guān)性。

dF/dT性能對(duì)比(來源:SiTime)

艾倫偏差(ADEV)，也稱為短期頻率穩(wěn)定性，是振蕩器在時(shí)域中穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。ADEV用于振蕩器，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)差相比，它可以收斂于更多類型的振蕩器噪聲。下圖比較了MEMS TCXO(Elite超級(jí)TCXO)和同類最佳的50 ppb石英TCXO溫補(bǔ)晶振在使用許多基于CPU的系統(tǒng)中采用的標(biāo)準(zhǔn)冷卻風(fēng)扇的氣流下的性能。正如我們所見，對(duì)SiTime MEMS超級(jí)TCXO幾乎沒有影響，但性能下降了石英TCXO的38倍。

ADEV性能對(duì)比(來源:SiTime)

現(xiàn)在讓我們把注意力轉(zhuǎn)向抖動(dòng)(假定周期信號(hào)與真實(shí)周期的偏差)對(duì)通信系統(tǒng)的影響；例如，無線(如5G)或有線(以太網(wǎng))數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)代車輛，特別是那些具有駕駛輔助(ADAS)或自動(dòng)駕駛功能的車輛，非常依賴數(shù)據(jù)傳輸。他們的多個(gè)攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)和其他傳感器每小時(shí)產(chǎn)生高達(dá)20TB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)街醒階DAS計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。對(duì)于傳感器和ADAS計(jì)算機(jī)之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，精確的時(shí)序至關(guān)重要。抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，因此盡可能降低抖動(dòng)至關(guān)重要。Piyush指出，由于其先進(jìn)的MEMS和PLL技術(shù)，SiTime的設(shè)備在這方面處于性能的前沿。

但是等等，還有更多，因?yàn)槲锢碚駝?dòng)很容易機(jī)械耦合到晶體中。在鏈的末端，這轉(zhuǎn)化為更高的時(shí)鐘抖動(dòng)(對(duì)于有線數(shù)據(jù)傳輸)或更差的相位噪聲(對(duì)于RF數(shù)據(jù)傳輸)。Piyush評(píng)論說:“我們已經(jīng)看到這樣的情況，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)這樣平凡的事情就足以使石英技術(shù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈路的錯(cuò)誤率達(dá)到不可接受的水平。由于MEMS諧振器的結(jié)構(gòu)、更小的尺寸以及比石英更堅(jiān)固的材料，MEMS定時(shí)技術(shù)可以防止系統(tǒng)中出現(xiàn)這些問題，這意味著SiTime設(shè)備幾乎不受振動(dòng)的影響。"

下圖顯示了MEMS振蕩器與同類最佳石英振蕩器在振動(dòng)時(shí)的相位噪聲。在15Hz至2kHz的頻帶內(nèi)，隨機(jī)振動(dòng)幅度為7.5g均方根(RMS)。MEMS振蕩器的這個(gè)振動(dòng)頻帶中的相位噪聲比石英器件低大約10倍。這對(duì)于經(jīng)常暴露在振動(dòng)環(huán)境中的汽車應(yīng)用，或者部署在火車站、地鐵站、機(jī)場和其它有振動(dòng)環(huán)境的地方的通信系統(tǒng)來說，是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。

振動(dòng)引起的相位噪聲比較(來源:SiTime)

對(duì)于要求超穩(wěn)定振蕩器的應(yīng)用，最后一個(gè)非常重要的考慮因素是老化，這是由振蕩器內(nèi)部隨時(shí)間發(fā)生的變化引起的。由于MEMS和石英器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和所用材料不同，它們的老化性能有很大差異。MEMS諧振器采用穩(wěn)定的硅材料，沒有除氣特性。SiTime MEMS諧振器的制造過程不會(huì)引入諸如在石英諧振器的鋸切和拋光過程中引入的污染物。下圖顯示了基于MEMS和石英技術(shù)的3E地層振蕩器的30天加速老化。

加速老化的比較(來源:SiTime)

老實(shí)說，我對(duì)SiTime的MEMS振蕩器和時(shí)序解決方案印象非常深刻，這本來是本專欄的一個(gè)很好的結(jié)束點(diǎn)，所以問Piyush他是否還有什么想說的是我自己的錯(cuò)，因?yàn)樗钗艘豢跉?，回答如?

到目前為止，我們已經(jīng)從更廣泛的精確定時(shí)角度研究了MEMS相對(duì)于石英的優(yōu)勢。SiTime的MEMS技術(shù)具有許多額外的優(yōu)勢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中的時(shí)序參數(shù)。

例如，SiTime MEMS比基于石英晶體振蕩器產(chǎn)品可靠30-50倍，這是通過構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的。MEMS材料具有比鈦更高的拉伸強(qiáng)度，并且在半導(dǎo)體潔凈室中制造以及密封在真空中意味著幾乎沒有任何雜質(zhì)影響它的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)上，石英一直是電子產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)之一，也是電子產(chǎn)品故障的常見來源。具有高可靠性的SiTime MEMS在這方面是一個(gè)游戲規(guī)則改變者，尤其是當(dāng)你考慮到與當(dāng)今汽車相關(guān)的功能安全要求時(shí)。

絕大多數(shù)SiTime汽車產(chǎn)品在–40°C至125°C的寬溫度范圍內(nèi)均合格，并且每款汽車產(chǎn)品均符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。這與市面上的許多石英振蕩器產(chǎn)品截然不同，后者僅符合針對(duì)無源器件的不太嚴(yán)格的AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)(即使它們具有有源電路)，并且通常僅在最高105°C下有效，這種20°C的差異會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。高性能計(jì)算和通信系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生熱量，工程師花費(fèi)大量材料成本和工程努力來管理這些熱量。允許他們更靈活地讓系統(tǒng)達(dá)到更高的溫度是一個(gè)很大的好處。

SiTime內(nèi)部設(shè)計(jì)MEMS諧振器和匹配的CMOS有源晶振，使我們能夠定制復(fù)雜的診斷機(jī)制，始終檢測和報(bào)告時(shí)鐘的健康狀況。因此，SiTime設(shè)備不僅能確保故障率降低30-50倍，還能讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員輕松滿足功能安全要求。

最后，讓我們談?wù)効删幊绦缘木薮蠛锰?。我們的大多?shù)振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器在各種規(guī)格下都是完全可編程的。例如，我們的器件可編程精度高達(dá)小數(shù)點(diǎn)后六位。工作電壓也是可編程的。LVCMOS輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度是可編程的，工程師可以通過匹配器件的輸出阻抗和走線阻抗來最大限度地降低走線上的反射。在擴(kuò)頻設(shè)備上，擴(kuò)展的百分比(導(dǎo)致EMI降低)也是可編程的。最后，我們有一些振蕩器可以通過串行接口編程，以便工程師在系統(tǒng)中配置參數(shù)。

無論是在原型開發(fā)還是大規(guī)模制造過程中，可編程性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說都是一大優(yōu)勢。我們可以為客戶提供桌面編程設(shè)備和空白振蕩器部件，讓他們?cè)谡{(diào)整系統(tǒng)性能的幾分鐘內(nèi)嘗試不同的頻率或其他輸出特性。在批量生產(chǎn)中，這種可編程性給了我們巨大的規(guī)模優(yōu)勢，并使我們能夠保持較短的交付周期。與quartz不同，在quartz中，每個(gè)頻率都是一個(gè)特殊的切割，因此是一個(gè)特殊的物理過程，SiTime可以跨頻率使用一個(gè)通用的基本產(chǎn)品，只需使用線端編程即可滿足任何要求。這也節(jié)省了系統(tǒng)表征和認(rèn)證的時(shí)間，因?yàn)槲覀兊钠骷恍枵J(rèn)證一次，而不是針對(duì)每個(gè)不同的頻率。