除極少數例外情況外，每個電子電路都需要一個振蕩器，也稱為時鐘，時鐘發生器或定時電路。它的作用是為處理器，存儲器功能，通信端口，A/D和D/A轉換器（如果有的話）和許多其他功能提供“心跳”。在非關鍵的低預算情況下，例如10美元的大眾市場電子溫度計，這個時鐘可以由一個簡單的電阻/電容（RC）振蕩器制成。然而，對于絕大多數更為關鍵的情況，振蕩器基于石英晶體（圖1）。這是一種成熟（80年以上）且高效的技術，可支持從kHz到數百MHz的各種頻率，性能從優秀到卓越，具體取決于晶體切割，制造，封裝和其他考慮因素。

圖1：古老的石英晶體（但不是整個振蕩器）由標準原理圖符號表示; b）等效電路從所示的簡化模型開始，但隨著工作頻率的增加可能會變得更加復雜。

然而，晶體的進步已達到穩定水平，同時對時序功能的性能，尺寸和成本提出了要求，整合正在增加。為了滿足這些需求，一種新的破壞性方法開始侵蝕基于硅MEMS（微機電系統）技術的石英器件，該技術可提供石英級性能，并且性能和成本水平適用于許多應用。 MEMS器件已經高度發展，大量用于感應壓力，運動和加速度，現在它們正在擴展到新的角色。

對射頻應用中的定時功能的要求尤其具有挑戰性，振蕩器不僅僅是處理器的時鐘，而且可以容忍一點點抖動。在RF中，它建立了數百MHz和GHz范圍內的基本載波/信道調諧，以確保A/D和D/A轉換器的正確時鐘。對于轉換器，任何抖動都會轉換為轉換器噪聲和失真，因此是RF設計中的關鍵規范。

振蕩器操作

晶體定時器件的結構和操作基于眾所周知的壓電原理，即電信號在晶體中產生應力，反之亦然：施加的應力使晶體產生微小的電壓。通過使用微小的石板或石英坯料以及合適的電路，石英作為調諧諧振器，為整個電子系統提供精確間隔的時鐘信號。

在基于MEMS的器件中，使用完全不同的方法。芯片核心處的蝕刻硅就像一個音叉，它以所需的頻率諧振，而芯片上的額外電子電路則管理和放大這個時鐘信號（圖2）。

圖2：MEMS振蕩器技術使用蝕刻在硅片中的一種類似音叉的諧振器，以及支持電路。 （由SiTime提供）

有許多第一，第二，甚至第三層參數用于評估任何振蕩器，無論是晶體還是其他振蕩器。當然，所需的最小值或最大值取決于應用，但這些參數的相對權重隨設計而變化。

關鍵參數包括標稱工作頻率，絕對精度，老化相關穩定性，短路和長期漂移（溫度系數和補償），抖動，工作溫度范圍，封裝和尺寸，工作電壓，電源靈敏度，功耗，抗沖擊/振動，啟動時間，供應商變化和成本，引用a少數。根據應用需求以及任何歷史背景，大多數這些都是以不同方式和不同條件合法測量的。

MEMS優勢和現實

基于石英晶體振蕩器由多個部件組裝而成，包括精心切割和拋光的石英毛坯，將其固定在封裝中的安裝，同時還提供電接觸（以及一些抗沖擊/振動），以及外殼封裝本身（有關更多背景，請參閱CTS產品培訓模塊“Crystal Clock Oscillators”）。相比之下，MEMS振蕩器是一種IC，采用標準工藝CMOS生產線制造，在大多數情況下使用8英寸晶圓。在探測，修整和測試之后，該設備被包裝;再次，就像任何IC一樣。因此，MEMS器件受益于用于傳統IC的批量生產批量技術和工藝。 （有關MEMS振蕩器的其他背景，請參閱ASFLM1系列上的Abracon產品培訓模塊）。基于MEMS的器件的其他優點包括：

最終器件比石英版小。這不僅可以節省寶貴的PC板空間，而且可以使定時器件更靠近它所支持的器件，以獲得更好的信號完整性和降低EMI。

MEMS振蕩器可以構建有源電路在芯片上，可用于補償電路，改善性能與溫度或電源軌的變化。它也可用于提供完整的振蕩器功能，因為石英晶體和MEMS諧振器本身都不是完整的振蕩器（盡管該術語通常以這種方式使用）;每個都需要一些相關的電路來驅動核心定時元件并調節/縮放輸出。許多振蕩器還需要PLL將基本振蕩器頻率乘以所需的載波頻率，這也可以成為IC的一部分。

完整的MEMS振蕩器內核，振蕩器電路和接口功耗較低

此外，正在開展工作以允許MEMS器件芯片與其驅動的IC（例如A/D轉換器）以與存儲器IC相同的方式共同封裝。現在與他們的微控制器或微處理器堆疊和共同封裝。這將帶來多種好處：需要更少的電路板空間，簡化的BOM，改進的單一完整性，以及振蕩器和轉換器的經過測試和保證的性能，而無需考慮PC布局問題（這些問題在GHz的RF范圍內具有挑戰性且經常令人沮喪鑒于所有這些優點，MEMS設備沒有取代晶體振蕩器的原因有幾個：

可用的MEMS器件的性能可能不是這樣的。

RF設計人員非常謹慎，因為時序功能對系統性能至關重要。

雖然晶體有缺點和偽影，但這些相當不錯了解。相比之下，MEMS器件的微妙之處和變幻莫測只是開始為RF設計人員所接受的前沿設計所知。

新的RF設計通常包含一個或幾個新產品上市組件，如高性能LNA或A/D和D/A轉換器，但設計人員不愿意嘗試太多新組件。這是關于風險管理以及設計師一次使用多少不熟悉的設備，即使每個設備都有潛在的益處。

成本，當然：作為一種成熟的技術，晶體供應商已經設法帶來了成本通過經驗和數量來降低。雖然MEMS器件具有降低成本的潛力，但這必須根據具體情況進行評估。

MEMS振蕩器成為現成的標準件

一些可用的MEMS定時設備說明了這些組件的功能。例如，SiTime SiT8209高頻，超高性能振蕩器（圖3）可以訂購80.000001和220 MHz之間的任何頻率，精確到小數點后六位。為了過渡方便，它被封裝為石英振蕩器的引腳對引腳直接替代，具有僅0.5 psec的超低相位抖動，以及低至±10 ppm的頻率穩定性。此外，SiTime還提供了許多適用于不同應用設計要求的MEMS器件系列。

圖3：SiTime SiT8209提供極低的抖動，至關重要許多通信應用;圖中顯示的是當采用LVCMOS輸出工作在3.3 V時，相位噪聲為156.25 MHz。

Silicon Labs提供四個系列（Si501，Si502，Si503，Si504），其成員在額外功能方面有所不同，性能保證10年的頻率穩定性，包括焊料偏移，負載牽引，電源變化，工作溫度范圍，振動和沖擊;該供應商聲稱這是可比石英設備的10倍保證。這些單元提供32 kHz至100 MHz之間的任何頻率，頻率穩定性選項包括商用（-20°C至70°C）和工業（-40°C至85°C）溫度范圍內的±20，±30和±50 ppm。四引線器件（圖4）可在+1.71 V至+3.63 V之間的任何電源軌上工作。

圖4：Si501的成員Silicon Labs的/2/3/4系列具有相同的基本性能規格，但輸出使能和頻率選擇等額外功能的可用性不同。

Micrel的Micrel MEMS振蕩器單元（圖5）可以在2.3到460 MHz的頻率下工作（例如，DSC1123的頻率為156.25 MHz）。典型RMS相位抖動低于1 psec，而穩定性可訂購±10，±25或±50 ppm額定值。 LVDS輸出器件采用2.5×2.0,3.2×2.5,5.0×3.2和7.0×5.0 mm封裝，適合現有封裝，需要2.25至3.6 V電源。該供應商聲稱MTF（平均故障時間）比石英設備好20倍。

圖5：Micrel的DSC單元是標準6引腳LVDS石英晶體振蕩器的“直接”替代品;器件的不同之處僅在于使能使能控制引腳。

總結

很難預測基于MEMS的定時器件將在何種程度上取代歷史悠久的石英基晶體RF設計中的單位，以及這種轉變需要多長時間。毫無疑問，MEMS單元的優勢及其在性能，尺寸，成本和封裝方面的未來潛在優勢使它們在較低頻率下具有極具吸引力的競爭，并且越來越多地進入更高的RF頻譜。市場研究公司IHS最近預測，2016年將出貨超過10億個MEMS定時裝置，主要用于手機和消費類電子產品。供應商看到了機會，MEMS技術已經在大眾市場中使用，它正在推進和成熟，只要任何權衡 - 顯然會因應用而變化 - 用戶都可以接受，用戶就會受益。