芯耀
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我們對(duì)傳統(tǒng)的石英晶振并不陌生，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開這款器件。但是石英晶振有不可避免的缺點(diǎn)，那就是在溫度或者工作電源電壓發(fā)生變化時(shí)精度不準(zhǔn)，其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響很大。而對(duì)于電信設(shè)備來說，置身的環(huán)境各種各樣，溫度、濕度隨著季節(jié)、環(huán)境變化很大，因此需要時(shí)鐘元件必須能在高溫、熱震蕩、振動(dòng)以及不可預(yù)期的氣流下持續(xù)運(yùn)行，因此傳統(tǒng)石英晶振應(yīng)用于電信設(shè)備面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。是否有新的技術(shù)能夠滿足電信設(shè)備新的需求？SiTime 的硅時(shí)鐘進(jìn)入用戶的視線，這家公司從 2009 年到 2015 年的芯片出貨量是 5 億顆，預(yù)計(jì)到 2018 年會(huì)再出貨 5 億顆，累積達(dá)到 10 億顆，目前全球有超過 1000 家系統(tǒng)廠商客戶，在硅時(shí)鐘市場(chǎng)的占有率達(dá)到 90%。
經(jīng)過十年的研發(fā)，SiTime 近期推出了 Elite Platform，其中包含 Super-TCXO（溫度補(bǔ)償型振蕩器）和多款振蕩器。這些高精度器件可以用來解決電信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在已久的時(shí)鐘問題。即使在有環(huán)境壓力的情況下，Elite Platform 仍有助于通信設(shè)備達(dá)到最優(yōu)異的性能、可靠性及服務(wù)質(zhì)量。
高可靠性：石英晶振的瓶頸，硅時(shí)鐘的優(yōu)勢(shì)
時(shí)鐘產(chǎn)品具有三個(gè)技術(shù)指標(biāo)：頻率穩(wěn)定性、抖動(dòng)和艾倫偏差。SiTime 憑借多年的技術(shù)研發(fā)，穩(wěn)定度十年內(nèi)提升了 250 倍，抖動(dòng)問題十年內(nèi)改善 800 倍，無線構(gòu)架的艾倫偏差十年內(nèi)提升 3 萬倍。
圖 1：穩(wěn)定度技術(shù)指標(biāo)
圖 2：抖動(dòng)技術(shù)指標(biāo)
圖 3：艾倫偏差技術(shù)指標(biāo)
SiTime 公司的技術(shù)工程師還通過視頻的方式向筆者展示了，同一電路板上同一環(huán)境條件，石英溫補(bǔ)晶體輸出和 Elite 超級(jí)溫補(bǔ)振蕩器輸出的對(duì)比。
圖 4：當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)兩者的參數(shù)變化對(duì)比圖
圖 5：受到敲擊時(shí)兩者的參數(shù)變化對(duì)比圖
圖 6：電源電壓發(fā)生變化時(shí)兩者的參數(shù)變化對(duì)比圖
由此可以看出，Elite 超級(jí)溫補(bǔ)振蕩器的穩(wěn)定度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于英溫補(bǔ)晶體的穩(wěn)定度，這樣的動(dòng)態(tài)頻率性能對(duì) NSST（連網(wǎng)、服務(wù)器、存儲(chǔ)與電信公司的縮寫）來說相當(dāng)重要，SiTime 首席執(zhí)行官 Rajesh Vashist 解釋，“由此可以看出，當(dāng)遭遇氣流、溫度快速變化時(shí) Elite 超級(jí)溫補(bǔ)振蕩器仍可維持性能；部署于立式高架、路邊仍免受振動(dòng)影響；支持 105℃ 溫度的戶外環(huán)境；電磁干擾(EMI)等噪聲源的影響降至最低?！?/p>
DualMEMS 架構(gòu)+TurboCompensation 技術(shù)：優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能
Elite 超級(jí)溫補(bǔ)振蕩器之所以能達(dá)到這樣的高性能，要得益于 SiTime 在架構(gòu)和技術(shù)方面的創(chuàng)新， Rajesh Vashist 指出，“Elite Platform 采用了 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 技術(shù)，因此實(shí)現(xiàn)了三大技術(shù)性能：第一，堅(jiān)固耐用、可靠且經(jīng)過驗(yàn)證的 TempFlat MEMS 能消除頻率擾動(dòng)（activity dip），振動(dòng)免疫力也比石英高出 30 倍；第二，100%準(zhǔn)確熱耦合的 DualMEMS 溫度檢測(cè)，因此溫度跟蹤快了 40 倍，可確保氣流與快速溫度變化條件下的最佳性能；第三，高度集成的混合信號(hào)電路，搭配片上內(nèi)置穩(wěn)壓器、時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）以及低噪聲鎖相環(huán)回路（PLL），對(duì)電源噪聲的免疫力提高了 5 倍，溫度分辨率達(dá) 30 uK，是石英 10 倍之多，且支持 1- 700 MHz 之間的所有頻率。”
圖 7：DualMEMS 架構(gòu)+TurboCompensation 技術(shù)結(jié)構(gòu)圖
關(guān)于 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 技術(shù)，Rajesh Vashist 介紹，“從圖中可以看出，DualMEMS 架構(gòu)中配備了兩個(gè)諧振器，一個(gè)作為真正的頻率諧振器，一個(gè)作為溫度傳感器，因?yàn)閮烧咴谕粋€(gè)位置，溫度傳感器可以快速檢測(cè)溫度變化，因此可以快速做溫度補(bǔ)償，工作頻率 350Hz，補(bǔ)償速度是傳統(tǒng)石英晶體的 40 倍。除了溫補(bǔ)性能的改善，我們還增加了針對(duì)系統(tǒng)工程師未來需要的功能，如將外部要加的電源管理器整合到 IC 內(nèi)部，另外這款器件增加了 I2C 或者 SPI 串口，系統(tǒng)工程師可以通過串口直接做數(shù)字化編程。”
“基于以上的架構(gòu)和技術(shù)，Elite 可滿足基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)對(duì)高精密頻率技術(shù)的需求，如同步以太網(wǎng)絡(luò)、光纖、小型基站、基站、電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)與影音視頻、智能電網(wǎng)、云端服務(wù)器、工業(yè)用 GPS 和儀器儀表等?！?Rajesh Vashist 補(bǔ)充。
高可靠性使用戶幾乎無售后需求
對(duì)比英晶體根據(jù)頻率設(shè)計(jì)，每一個(gè)規(guī)格都是從頭開發(fā)、制作的過程，而 Sitime 的硅時(shí)鐘是可編程的，在出貨之前將頻率、工作電壓編寫進(jìn)去即可，設(shè)計(jì)彈性很高。而且硅時(shí)鐘的可靠性要遠(yuǎn)高于石英晶體，從 2007 年到 2015 年的出貨返修率來看，SiTime 每年的產(chǎn)品不良率只有百萬分之一點(diǎn)五，而傳統(tǒng)石英晶體的一線供應(yīng)商產(chǎn)品不良率是百萬分之五十，二線供應(yīng)商的產(chǎn)品不良率是百萬分之一百五。如此低的返修率，以至于當(dāng)筆者問到 Sitime 的本土技術(shù)支持配比時(shí)，Rajesh Vashist 自信地解釋，“MEMS 現(xiàn)場(chǎng)失效率為零，終身質(zhì)保，因此我們?cè)谥袊挥兴膫€(gè)銷售人員，也正是因?yàn)?SiTime 的產(chǎn)品返修率極低，因此幾乎不需要進(jìn)行技術(shù)支持?！?/p>
圖 8：Elite Platform 樣片
技術(shù)瓶頸讓很多半導(dǎo)體廠商望而卻步
頻率器市場(chǎng)容量大概 60 億美元，分三大類市場(chǎng)應(yīng)用，包括石英水晶片占 35 億美元，頻率發(fā)生器占 15 億美金，含 PCB 系統(tǒng)級(jí)的時(shí)鐘系統(tǒng)占 10 億美金。其中第一類需要配合石英加工廠，第二類如 SiliconLabs，IDT，MicroSemi 和 TI，他們的參考時(shí)鐘源需要第一類廠商的晶體或者晶振來提供，而他們無法制造石英水晶片或者替代石英水晶片的產(chǎn)品，第三類，如 MicroSemi，除了做石英水晶片，還會(huì)做整個(gè)時(shí)鐘模組。SiTime 的優(yōu)勢(shì)在于，它是目前唯一一家可以把市場(chǎng)上的三類應(yīng)用進(jìn)行整合的公司，原因是它的方案中不需要石英水晶片做為材料，用半導(dǎo)體硅諧振器取代石英廠商做頻率器件的部分。目前著重于第一類產(chǎn)品應(yīng)用，未來會(huì)進(jìn)行頻率發(fā)生器和雙模組產(chǎn)品的開發(fā)。
基于 MEMS 的硅時(shí)鐘解決方案優(yōu)勢(shì)凸顯，發(fā)展前景良好，因此很多公司不惜花費(fèi)人力物力開發(fā)，但是為什么目前只有 Sitime 推出了產(chǎn)品？Rajesh Vashist 指出，“這在于這項(xiàng)技術(shù)的難度，其實(shí)有好幾家年?duì)I業(yè)額超過 5 億美金的前沿公司研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，如 IDT、Siliconlabs、TI 等，他們或者自行研發(fā)，或者收購相關(guān)公司進(jìn)行研發(fā)，但是都失敗而終，唯有 SiTime 堅(jiān)持了十年，最終推出了符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，因此 SiTime 拿到了 90%的市場(chǎng)份額，未來或許會(huì)有更多公司想來分這個(gè)市場(chǎng)，但是 SiTime 會(huì)一直站在前沿進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。”
硅時(shí)鐘會(huì)取代石英晶振？
通過參數(shù)對(duì)比，很多人可能會(huì)想到硅時(shí)鐘是否會(huì)完全取代石英晶振呢？當(dāng)然這對(duì)于 SiTime 來說是一個(gè)好消息，但是在教育市場(chǎng)的道路上還要繼續(xù)走一段，Rajesh Vashist 坦言，“就成本而言，石英晶體的不良率要遠(yuǎn)高于硅時(shí)鐘，因此總體而言硅時(shí)鐘更具有成本優(yōu)勢(shì)。問題在于市場(chǎng)教育，工程師的對(duì)新技術(shù)嘗試的意愿不高，敢于大膽嘗試新技術(shù)的人還是少數(shù)，我們會(huì)繼續(xù)研發(fā)匹配更多的應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品，更好地服務(wù)于系統(tǒng)客戶。”
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