独家推荐MEMS振荡器应用电机系统的可靠性与性能方案
　　参考定时设备(例如谐振器和振荡器)用于电子马达控制电路中,以提供稳定的参考时钟.这些计时设备在历史上一直基于石英晶体技术-以前是唯一可行的选择.但是,近年来,硅MEMS(微机电系统)计时设备已开始迅速取代基于石英的设备,因为它们具有更高的可靠性和鲁棒性,可抵御冲击和振动,在高温下具有更好的频率稳定性,具有可编程功能,并且交货时间短.
　　MEMS振荡器在恶劣的环境中更具弹性电子电机被广泛用于各种应用中,并且经常受到环境压力的影响,包括非常高的温度以及高水平的噪声,振动或冲击.为了可靠地运行,参考定时装置必须具有很高的弹性.硅MEMS谐振器由于其设计,更小的质量和超干净的制造工艺,其固有的性能比石英强.此外,振荡器IC中先进的模拟设计技术增加了MEMS振荡器的弹性和性能.
　　为了满足电机控制需求,SiTime MEMS振荡器具有以下功能.
　　较高的工作温度-MHz振荡器高达125℃,kHz振荡器高达105℃
　　出色的频率稳定性-在整个温度范围内
　　耐振动(70g振动)-最高可达石英振荡器的30倍
　　耐冲击(50,000克冲击)-高达石英振荡器的25倍
　　低电磁敏感性(EMS)-比石英振荡器好50倍
　　对电源噪声(PSNS)的灵敏度低-比石英晶体振荡器高10倍<1FIT率(10亿小时MTBF)下的更高可靠性-比石英振荡器高30倍
MEMS振荡器更耐冲击和振动:
　　冲击力和振动力会降低性能,并导致石英振荡器发生故障.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,其固有的抗振动性.
　　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,SiTime MEMS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的微型封装(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.

图2:振荡器对500克冲击的灵敏度

　　图2显示了在不同振荡器上进行机械冲击测试的结果.一些石英设备对冲击特别敏感,并表现出明显的频率偏差.
MEMS振荡器高度抗电磁能量和电源噪声:
　　电磁敏感性(EMS)是电动机控制设计中的重要考虑因素,因为电磁(EM)能量会显着影响振荡器的性能.电动机的开关动作可能是瞬态干扰(电磁脉冲)的主要来源.电源和其他电子组件也可能发射EM能量,从而产生杂散噪声并降低时钟信号的质量.
　　与石英振荡器相比,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可编程振荡器的性能优于其他时钟设备,如图3所示.

图3:各种振荡器上的平均电磁感应相位噪声杂散

　　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远远优于石英晶振,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4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SiTime MEMS振荡器的结果进行了比较.如图所示,SiTime MEMS振荡器的抖动在几乎所有噪声频率下均较低.与典型的石英振荡器制造商不同,SiTime使用包括PSNS电路在内的高级模拟设计技术为其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4:SiTime MEMS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振荡器是可编程的:
　　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非常广泛的可配置选项.例如,输出频率可以在很宽的工作范围内进行编程,精度为六位小数.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.
　　另外,系统设计师可以在他们自己的实验室中使用现场MEMS可编程振荡器和STime MachineII™振荡器编程器对SiTime-MHz振荡器进行即时编程.由于SiTime振荡器具有行业标准的尺寸,因此它们是石英器件的直接替代品,并且在设计人员开发原型时可以轻松替换石英器件.

表1:SiTime振荡器中的各种可配置功能

特征	SiTime振荡器的配置选项
可自定义频率	从1Hz到725MHz,精度为6位小数
频率稳定度	在kHz振荡器中高达±3ppm,在MHzTCXO中高达±0.5ppm
温度范围	高温(-55~+125℃和-40~+125℃),扩展工业(-40~+105℃),工业(-40~+85℃)或外部.商业(-20~+70℃)
电源电压	kHz振荡器:1.2至3.3V;MHz振荡器:1.8V(CMOS),2.5V,2.8V或3.3V(可在2.5至3.3V之间定制)
输出信号	LVCMOS,LVPECL,LVDS,CML,HCSL,Nano Drive™
特殊功能	扩频,数字拉力,通过12C/SPI的系统内可编程性
拉范围	高达±3200ppm
驱动强度	可编程的低电压以获得最佳的EMI;高,可驱动多个负载

MEMS振荡器封装的样式和尺寸:
　　除了上面显示的丰富功能集之外,SiTime计时产品还提供了一系列软件包,以适应应用程序需求.石英的直接替代:SiTime行业标准QFN塑料封装(2012、2016、2520、3225、5032和7050)与石英器件引脚兼容.因为这些封装适合常见的石英振荡器PCB焊盘布局,所以MEMS振荡器可以轻松地用任何电路板更换代替石英器件.
　　最高的板级可靠性:SiTime振荡器采用SOT23-5封装,用于要求最高焊点可靠性的应用.超小型:2012QFN封装中提供32kHz振荡器,超小型1508(1.5x0.8x0.6Hmm)CSP(芯片级封装)可用.工业电机控制应用通常会经受从极端温度到高水平振动,冲击和电源感应噪声的各种运行环境.在这些恶劣条件下,参考振荡器必须符合其规格,并且不会因机械或电气损坏而失效.如果有源晶振没有弹性,则有可能导致灾难性故障.MEMS振荡器克服了传统石英振荡器的缺点,并为电机控制的设备提供了更强大,更可靠的定时解决方案.
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