工程都在找的可提高电表性能的MEMS可编程振荡器处理方案
　　从2005年开始MEMS可编程晶振就得到大力发展,并且用于各行各业的产品当中,SiTime晶振公司是世界范围内,生产这种振荡器中最知名的品牌之一,也是由他们家发现了降低MEMS振荡器成本的方法,才会受到这么多的关注.虽然使用MEMS晶振的用户很多,但一直以来都缺乏正确的处理方式指导,因此许多用户对MEMS都不了解甚至是不熟悉,以下是针对某个应用的可编程晶振处理方案.
　　硅MEMS(微机电系统)计时是提高计量设备可靠性和性能的创新技术之一.该设备需要具有稳定频率的强大定时组件,以提供准确的计时和与时钟源的同步.由于基于MEMS的组件固有的坚固性和弹性,该技术正在迅速取代传统的石英组件.除了更高的可靠性外,MEMS时序还提供了灵活,专门的功能,可改善系统性能,并缩短交货时间.
　　随着资源(通常是能源,天然气或石油)的监控迅速扩展,支持信息收集和传输的新技术变得越来越重要.必须可靠,安全地捕获和传输数据,考虑到围绕已安装的计量硬件的不同位置和环境条件,这可能是一个挑战.例如,测量,收集和分析能源使用情况的智能电表或测量地震信息的电表提供关键数据,而这些电表必须长期提供可靠的信息.
MEMS振荡器具有更高的可靠性,弹性和更多功能
　　仪表用于各种应用和环境,并且通常在高温和/或高水平的噪声,振动或冲击的恶劣条件下运行.为了保证多年的可靠运行,计时组件必须具有很高的弹性.与石英谐振器相比,MEMS固有地由于其设计,更小的质量和超干净的制造工艺而变得更加坚固.与石英供应商不同,SiTime具有内部专业知识,可以开发先进的MEMS谐振器和振荡器IC,这些谐振器和石英晶体振荡器IC采用的技术可以提高弹性和性能.这些功能使振荡器具有极高的可靠性.SiTime是唯一对所有生产产品提供终身保修的计时公司.
SiTimeMEMS振荡器具有以下功能:
　　1. 较高的工作温度–MHz振荡器高达125℃,kHz振荡器高达105℃
　　2. 出色的频率稳定性–在整个温度范围内
　　3. 自定义频率–从1Hz到725MHz,精度为6位小数
　　4. <1FIT率(10亿小时MTBF)时更高的可靠性–比石英振荡器高30倍
　　5. 耐振动(70g振动)–最高可达石英振荡器的30倍
　　6. 耐冲击(50,000克冲击)–比石英振荡器高25倍
　　7. 低电磁敏感性(EMS)–比石英振荡器好50倍
　　8. 对电源噪声(PSNS)的低灵敏度–比石英振荡器好10倍
　　9. 低功耗功能–非常适合电池供电的仪表/控制器
MEMS振荡器更耐冲击和振动:
　　电表通常部署在恶劣和/或偏远的地方.它们可能会遭受诸如冲击和振动力之类的危害,这些危害会降低石英振荡器的性能并导致其失效.石英晶体谐振器是悬臂结构,可能对机械力非常敏感,并且容易产生相位噪声和振动引起的抖动,以及冲击引起的频率尖峰.相反,MEMS谐振器的振动较小,因为其质量比石英谐振器低1000至3000.这减小了由振动引起的加速度施加到谐振器的力.SiTime MEMS谐振器是刚性结构,可在体模式下在平面内振动,其固有的抗振性.
振动灵敏度或g灵敏度(以ppb/g表示)表示由加速力引起的频率变化.图1绘制了以ppb/g为单位的正弦振动引起的噪声杂散,以证明与基于石英的振荡器相比,SiTimeMEMS振荡器在不同频率下的振动灵敏度较低.

图1:振荡器对正弦振动的敏感性

　　此外,SiTime振荡器在1.5x0.8mm的小型封装(kHz振荡器)和2.0x1.6QFN和SOT23-5小型封装(MHz振荡器)中提供0.1ppb/g的性能.石英设备必须使用大型专用包装才能实现较低的g敏感度.
　　为了在现实条件下模拟设备的性能,SiTime在各种条件下测试了具有类似规格的MEMS和石英振荡器,包括正弦振动(如上所示),随机振动和冲击冲击.要了解有关测量结果和测试方法的更多信息,请参阅SiTime技术论文MEMS和基于石英的振荡器的冲击和振动性能比较以及硅MEMS振荡器的弹性和可靠性.
MEMS振荡器高度抗电磁能量和电源噪声:
　　电磁敏感性(EMS)是在会议应用中的重要考虑因素,因为电磁(EM)能量会显着影响振荡器的性能.与有源石英晶振相比,具有精心设计的模拟电路的MEMS振荡器对EM噪声不那么敏感.石英振荡器封装上的金属盖不能保证免受电磁力的影响.EMS的性能更多地取决于固有的谐振器阻抗和耦合机制以及振荡器的模拟电路设计.基于标准的测试表明,SiTime振荡器的性能优于其他时钟设备,如图2所示.

图2:各种振荡器上由EM引起的平均相位噪声杂散

　　系统中的电源可能是不利于系统性能的主要噪声源,并且在打开和关闭电源时会放大此噪声.大部分噪声可以通过无源滤波器和去耦电容器滤除.但是,仍然存在一些噪声,电路板问题(例如接地反弹)会对时钟抖动产生负面影响.电源噪声灵敏度(PSNS)是模拟电路设计中使用的参数,它指示电路对电源噪声的鲁棒性.测试结果表明,SiTime振荡器的PSNS比石英器件好得多,包括设计用于满足高频,低抖动要求的石英表面声波(SAW)振荡器.
　　图3显示了对于50mV峰峰值电源噪声,积分相位抖动与电源开关噪声频率的关系,并将石英振荡器与SiTimeMEMS振荡器的结果进行了比较.如图所示,在几乎所有噪声频率下,SiTimeMEMS振荡器的抖动都较低.与典型的石英振荡器制造商不同,SiTime使用包括PSNS电路在内的先进模拟设计技术为其MEMS振荡器设计模拟电路,以保护振荡器免受电源引起的抖动的影响.

　　图3:SiTimeMEMS振荡器(下部线路)和石英振荡器在存在50mV峰峰值电源噪声的情况下的相位抖动与电源开关噪声频率的关系有关EM-的测量结果和测试方法的更多详细信息感应的相位噪声和电源感应的相位抖动,请参见SiTime技术论文MEMS和基于石英的振荡器的电磁敏感性比较.
　　MEMS振荡器在整个温度范围内表现出更好的频率稳定性仪表设备可在各种环境中工作,并且通常在较宽的温度范围内工作.MEMS振荡器是高温环境的理想选择,因为它们在整个温度范围内都能提供高度稳定的时钟信号.例如,在低功率仪表应用中使用的基于SiTimeMEMS的32.768KHz计时设备采用TempFlatMEMS™技术,该技术可在整个温度范围内实现出色的频率.

图4a:SiT153232kHz振荡器稳定性图4b:SiT155232kHzTCXO±5ppm稳定性

　　图4a显示了基于SiT1532MEMS的32.768kHz振荡器的频率稳定性与温度特性曲线.工业虚线(<100PPMp-p)的SiT1532规格限制以蓝色虚线表示.红色曲线显示了使用基于石英的XTAL音叉类型的32.768kHz振荡器的典型规格极限.图4b显示了基于SiT1552MEMS的TCXO(温度补偿振荡器)的频率稳定性,该器件已在多个频率点上进行了出厂校准(微调),以确保在整个温度范围内具有极高的稳定性.
　　SiTime计时解决方案采用可编程架构设计.各种各样的规格已经过工厂编程,可以在很短的交货时间内订购和交付,从而为设计人员提供了广泛的可配置选项.例如,可以在很宽的工作范围内以六位小数精度指定输出频率.SiTime设备具有特殊功能,例如可编程的驱动强度来控制上升和下降时间.此功能使设计人员可以更改输出边沿速率,从而降低系统内的EMI.
　　此外,系统设计师可以在自己的实验室中使用现场可编程振荡器和TimeMachineII™振荡器编程器对SiTimeMHz振荡器进行即时编程.由于SiTime振荡器具有行业标准的尺寸,因此它们可直接替代石英晶振,并且可以在设计人员开发原型时轻松替代石英器件.
用于低功耗电池供电仪表的MEMS振荡器:
　　燃气表和水表通常由电池供电,通常采用无线通信子系统.在这些应用中,低功耗至关重要.例如,地下水表设计为无需维修即可工作20年或更长时间,因此需要超长的电池寿命.定时组件可能会对系统电源和电池寿命产生重大影响.
　　MEMS kHz振荡器的稳定性高达±3ppm,也延长了电池寿命.改进的稳定性通过减少所需的网络计时更新来降低系统功耗.仪表内的子系统可以长时间处于睡眠模式,并且仍与中央集线器保持同步.最后,与石英晶体相比,SiTimeMEMSkHz振荡器可以驱动多个负载.这不仅降低了BOM(物料清单),而且还降低了系统总功率.
　　SiTime的低频,低功率振荡器是优化功率的理想选择.这些器件的功耗低至<1µA,并具有独特的功能,可进一步节省功耗.例如,SiTime kHz振荡器具有Nano Drive™,可降低摆幅输出电压.此功能使系统设计人员可以选择输出电压以匹配下游PMIC或MCU输入,并最大程度地减小负载电流.此外,定制的低频可用性使电表设计人员能够选择最佳频率以获得最佳性能和功率.电表设计人员不再受限于有限数量的输出频率,而是可以使用定制频率来降低功耗.
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