半导体

5G加速时钟信号技术变革,MEMS方案将替代传统石英

作者:陈炳欣来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2018-11-09 11:13我要评论

时钟信号通常被用于同步电路当中,扮演计时器的角色,保证相关的电子组件得以同步运作,每个数字电子系统都需要定时信号作为参考时钟或用于同步,功能十分重要。在传统上,石英是振荡器的主要技术,被广泛采用产生时钟信号。不过,在5G建设当中,系统对于时序同步的要求更加严格,具有更高精度、更好稳定性和更佳鲁棒性能的MEMS 时钟解决方案受到更高重视,开始替代传统上的石英振荡器。相信未来,在同步电路中MEMS时钟解决方案的市场规模将不断扩大。

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MEMS振荡器替代石英成趋势?

振荡器是一种利用谐振器和振荡电路生成时钟信号的有源电子器件。由于时钟信号需要稳定,因此频率稳定性是振荡器性能的关键指标之一。振荡器的一般频率稳定性在 ±10至 ±100 ppm之间 (百万分率),高精度振荡器一般稳定性为 ±0.1至 ±5 ppm。传统上,石英是振荡器使用的主要技术。不过,基于石英的振荡器对诸如振动、温度变化和冲击等环境压力因素极为敏感,这会降低网络性能、减少正常运行时间。基于 MEMS 的硅时序解决方案以其优良的性能受到越来越高的重视。

MEMS 模拟半导体公司SiTime 营销执行副总裁Piyush Sevalia在日前召开的发布会上表示,基于MEMS的时钟解决方案具有更高的性能(±5 ppb, 3e-11 短期稳定度)、更小尺寸(1.5×0.8 mm–kHz&MHz)、更低功耗(900nA典型值–32kHz),以及最佳的可靠性(14亿小时MTBF)和更佳的鲁棒性(50Kg冲击和70g振动)。

SiTime公司致力于开发MEMS的时钟解决方案,以取代传统石英产品。根据Piyush Sevalia的介绍,目前全球时钟市场约为60亿美元。其中,以石英振荡器作为生成时序信号的解决方案仍为主流,占整体市场份额的95%以上。但是MEMS振荡器发展很快,年复合增长率达到65%。目前,采用MEMS振荡器正在成为发展趋势。

5G加快进展MEMS振荡器发展进程

5G基础设施的部署将加快MEMS振荡器对于石英产品的替代进程。Mobile Experts 公司首席分析师 Joe Madden 认为:“随着移动运营商逐渐进入 5G 和边缘计算领域,他们需要在无线电设备上实现更严格的时间同步,这就需要使用高精度的恒温振荡器 (OCXO)。在 5G 之前,OCXO 部署在良好受控的环境中。但是随着的5G部署,计算、核心网络和无线电将被整合到一个系统内并有可能被部署到诸如塔楼、屋顶或灯柱等非受控环境中。在这样的环境中,OCXO 将承受振动和极端温度带来的考验。这种部署架构上的改变需要新思路,也要对 MEMS 时序技术和石英时序技术的各自优势进行评估。”

Piyush Sevalia表示:“时序可能是 5G 系统中最大的潜在故障点,并可能影响性能、可靠性和营收。5G 时序对系统 OEM 厂商来说是一个复杂的挑战,因此需要一种新的方法,那就是超越目前使用的传统的组件级方法。”

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发布会上,Piyush Sevalia展示了新推出的Emerald 平台。这是业界首款 MEMS 恒温振荡器,可以解决石英 OCXO在5G设施中的应用难题。由于石英 OCXO 非常敏感,客户必须采取大量预防措施以确保可靠运行。一大难题是 OCXO 的电路板布局。OCXO 在布局时需要远离压力因素,例如热量和气流诱发的热冲击。这样会导致布线复杂性增加和潜在的信号完整性问题。此外,设计人员也尝试使用专门的塑封型 OCXO 盖进行热隔离,但这会增加制造步骤和生产复杂性。Emerald MEMS OCXO 消除了所有这些问题:它们简化设计、缩短开发时间、加速营收,同时提升系统性能。

另外,Emerald 平台的可编程性,也为用户提供了更高的灵活性。传统石英 OCXO 是从头定制的产品。它们在特性的可用性方面存在严重限制,例如频率、输出类型、工作温度和系统内控制。SiTime 的 Emerald 平台 MEMS OCXO 则没有这些限制。通过使用可编程模拟架构,Emerald OCXO 可提供 1M~220MHz范围内任意频率,确保客户能为自己的应用选择最佳频率。此外,该器件还提供 LVCMOS 和限幅正弦波两种输出类型,以实现最佳板性能。在不久的将来,Emerald OCXO 将提供更广阔的工作温度范围(-40 到 +95°C,-40 到 +105°C)和用于系统内编程的 I2C 串行接口。

SiTime专注于MEMS振荡器发展

在谈到未来公司长期发展时,Piyush Sevalia表示,SiTime看好MEMS振荡器发展前景,将致力于时钟市场的发展。全球时钟信号市场每年都在成长,每年产值增长率大概在5%至10%。MEMS振荡器市场发展更快,每年的增长率约达70%到80%。从历史的进程上看,半导体的集成度更高,可以提供更丰富的功能,量产效率比较好,一致性比较高,在很多应用的场合实际上都在取代旧有技术。

SiTime长期进行MEMS解决方案的开发,形成许多技术,如MEMS FirstTM、TempFlat MEMSTM、DualMEMS™、 EpiSealTM 技术,Digital PLL、 TurboCompensation™、 FlexEdge™ 模拟技术,ChronosTM MEMS设计自动化软件等。“所以我们相信传统石英的技术没办法跟上市场需求,它将会慢慢被MEMS方案所取代。”Piyush Sevalia表示



责任编辑:陈炳欣
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