Microchip是一家知名的半导体公司，专注于设计和生产各种集成电路产品，包括微控制器（MCU）、模拟集成电路、数字信号处理器（DSP）、存储器等。该公司总部位于美国亚利桑那州的钱德勒市。
Microchip在微控制器领域拥有广泛的产品线，涵盖了多种不同的应用需求和市场。其微控制器产品被广泛应用于工业控制、汽车电子、消费类电子、医疗设备、通信设备等领域。Microchip的产品以其高性能、低功耗、丰富的外设接口和强大的开发工具而闻名。
除了微控制器之外，Microchip还提供各种其他类型的集成电路产品，如模拟集成电路、存储器、时钟与定时器、通信接口等，以满足不同市场的需求。该公司还提供丰富的开发工具和技术支持，帮助客户快速开发和部署他们的产品。Microchip在半导体行业拥有良好的声誉和广泛的客户基础，是全球领先的半导体解决方案提供商之一。
“Siri，开灯”，一个简单的口令实现所有居家设备的控制曾经是建立智能家居的梦想。随着iOS与AndroidTM两大移动设备阵营的普及，配合开发的智能外设也越来越多。从单纯充电到高级数字音乐播放器，甚至集成电器或灯光的数字信号控制器，移动设备不再只有接拨电话或简单的邮件或聊天功能，而成为了生活中不可或缺的帮手。通过无线及云端处理（图1及图2）再受限于使用环境，更多远程遥控应用需求可以连成图3。
本文作者为Microchip台湾地区应用工程师朱文国。点击下载繁体中文原版。
来源：Microchip
作者： Maurizio Gavardoni Microchip Technology Inc
摘要
MEMS 振荡器已得到了非常广泛的使用，并在很多应用中稳步取代晶体振荡器。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有诸多显著的优势，例如提高了可靠性和对机械应力的抗力，以及在宽温度范围内保持平稳的性能。MEMS振荡器还具备一定的灵活性，可通过编程和配置生成多个输出时钟。
简介
在过去的数十年，每当有应用需要稳定的低抖动时钟源时，我们都会使用晶体振荡器。
近年来出现了一种使用MEMS来构建谐振器的新技术。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有一些显著的优势。首先，它们能够抵御机械冲击、振动、挠曲和坠落，因而非常坚固和可靠，这要归功于其封装结构对谐振器形成了一种自然保护。第二，MEMS 谐振器具有伪线性温度系数，因而易于补偿；这可确保谐振器整个温度范围（最高可超过 +125°C）内保持稳定的时钟频率 （意味着低 ppm）。
显而易见，这两种特性让MEMS振荡器非常适合一些环境恶劣的工业和汽车应用。
此外， MEMS 的结构非常紧凑，因而可生产小尺寸封装的振荡器，最小尺寸为 1.6 mm x 1.2 mm。
MEMS 谐振器工作在固定频率，频率非常稳定，但无法进行编程。因此，始终需要使用 PLL 来生成可编程的输出频率。虽然这样可能产生比晶体振荡器更高的相位噪声，但 PLL 在生成宽范围频率方面具有灵活性优势，并且能够在同一器件中提供多个输出时钟。可在同一个PLL 中生成大量时钟，或将多个 PLL 放置在同一个器件中以生成完全独立的输出。因此，MEMS 振荡器可灵活选择并编程多种参数。此特性的另一个例子是此类振荡器能够对与时钟信号的上升和下降时间相关的输出驱动强度进行编程。在对 EMI 敏感的应用中，可通过编程延长上升和下降时间。
MEMS 振荡器已得到了非常广泛的使用，并在很多应用中稳步取代晶体振荡器，包括消费、工业和汽车应用以及部分网络和电信应用。
以下章节将更详细地介绍MEMS振荡器对各类机械应力的抗力。
抗坠落测试
测试所采用的方式是将 MEMS 振荡器放置在 PCB 上，另外增加 200 克重量，让系统从 180 厘米的高度坠落到混凝土表面上。在两次坠落的间隔期间，我们都使用高分辨率的频率计数器对振荡器输出时钟进行三分钟的测量，以检查这段时间内的时钟稳定性。测量结果如图 1所示，该图通过与已测量的初始频率值进行对比来显示器件的频率偏差。
抗机械挠曲测试
我们还开展了进一步的测试，先将 MEMS 振荡器放在5 cm x 5 cm 的 PCB 上，再将 PCB 的一端固定，同时使用机械力弯曲另一端。MEMS 振荡器的位置与被弯曲一端的距离为 1.5 厘米。PCB 的挠曲半径分别为 3 mm和 6 mm，我们使用高分辨率的频率计数器在挠曲前后和期间对MEMS振荡器的输出时钟进行三分钟的测量。测量结果如图 2 所示，该图通过与已测量的初始频率值进行对比显示器件的稳定性。
MEMS 振荡器的输出时钟的偏差小于 2 ppm 的最大值，这一数据突显出 MEMS 振荡器在承受诸如 PCB 挠曲所造成的机械应力时仍可保持良好的稳健性和弹性。
抗机械冲击测试
我们还根据军用和航空航天标准 MIL-STD-883 提供的指导准则，对 MEMS 振荡器进行了机械冲击测试。这次机械冲击测试遵循 Method 2002 的测试条件 E 中的规定：器件承受五次高达 10,000g 的冲击脉冲，每次持续 0.2 毫秒。
测量结果显示在图 3 中，该图将频率偏差（ppm）与冲击测试前的初始频率值进行对比。假设计算得出的最小值和最大值在 ±3 sigma 的范围内 （99.73%），可以看到最大频率偏差仅为 3.85 ppm。
抗机械振动测试
我们根据军用和航空航天标准MIL-STD-883提供的指导准则，对 MEMS 振荡器进行了机械振动测试。这次机械振动测试遵循 Method 2007 的测试条件 C 中的规定：在充分保护连接线的前提下将器件刚性固定在振动平台上。器件以简谐运动方式振动，峰值加速度为 70g。振动频率在 20 Hz 至 2,000 Hz 之间按对数变化，持续四分钟。该测试在 X 轴、 Y 轴和 Z 轴方向上各重复 4 次（总计 12 次），总时间为 48 分钟。
测量结果显示在图 4 中，该图将频率偏差（ppm）与振动测试前的初始频率值进行对比。假设计算得出的最小值和最大值在 ±3 sigma 的范围内 （99.73%），可以看到最大频率偏差仅为 5.23 ppm。
冲击和振动前后的稳定性
下面的图 5 显示了机械冲击和振动测试前后的三个样本的频率稳定性，这些测试已在前两节中详述，测试结果如图 3 和图 4 所示。
MEMS 振荡器的输出时钟偏差在 1.5 ppm 范围内，这再度突显出 MEMS 振荡器在承受诸如 MIL-STD-883 冲击和振动测试所产生的高机械应力时仍可保持良好的稳健性。
结论
MEMS 振荡器对坠落、挠曲、冲击或振动导致的机械应力具有很强的抵抗能力。这种抵抗能力增强了可靠性，使其非常适合在恶劣环境下使用，例如工业和汽车应用。凭借这种重要的特性以及其他一些优势 （例如宽温度范围下的平稳性、灵活性、可编程性以及小尺寸）， MEMS 振荡器得到了非常广泛的使用，并在消费、工业、汽车和电信行业的很多应用中稳步取代晶体振荡器。
有关 Microchip MEMS 振荡器的更多信息，请访问： http://www.microchip.com/design-centers/clock-andtiming/oscillators 。
简介
数十年来，振荡器和时钟始终依靠石英晶体来产生稳定的参考频率。晶体在许多应用中表现出十分优异的性能。但十年前，使用MEMS谐振器代替石英晶振的微机电系统（Microelectromechanical System，MEMS）技术进入了市场，并迅速受到广泛的关注。
基于MEMS的时序器件兼具高可靠性、扩展工作温度、小体积和低功耗特性。
在2015年，Microchip通过收购Micrel获得了MEMS时序技术，而Micrel在此之前已收购Discera。Discera在2008年交付了第一批振荡器成品，迄今为止已制造并销售了近1亿个器件。
本文将介绍基于MEMS的振荡器和时钟的汽车应用以及MEMS解决方案的优势，并提供Microchip白皮书《采用微机电系统（MEMS）技术的Microchip振荡器和时钟》作为参考。
汽车应用
基于MEMS的振荡器和时钟有三种主要应用。如图1所示，这三种应用分别是高级驾驶员辅助系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）、用户界面（包括信息娱乐和连接系统）以及处理变速箱和发动机控制的智能执行器。
高级驾驶员辅助系统
高级驾驶员辅助系统（ADAS）能够提供先进的碰撞风险警报、提醒驾驶员并可在某些情况下控制车辆，从而达到提高安全性的目的。该系统将采用包括物体识别和跟踪在内的计算机视觉技术，并在车身上配备摄像头、LiDAR系统和雷达等多种传感器。此外，还可通过无线电从其他车辆和连接互联网的数据源接收数据。
图2所示为ADAS LiDAR模块。FPGA提供信号生成和系统控制功能。FPGA产生的脉冲将被放大并发送到激光器。
Microchip高速ADC随后将检测接收到的反射光并将其数字化，然后数据将被发送到第二个FPGA图像处理器。处理器将进行检测并向车载网络发送碰撞警报。
DSC400 MEMS时钟可驱动高速ADC和FPGA处理器。DSC400是一款符合AEC-100标准并具有低相位噪声的四输出时钟，非常适合高速FPGA。
图3展示了ADAS长距离雷达系统。DSP产生的脉冲波形在射频基带单元中被转换为调制信号，以驱动77 GHz发射器（RF TX）。反之，基带单元将解调77 GHz接收器（RF RX）接收到的脉冲并交由DSP处理。具有CAN接口的Microchip32位MCU负责提供全面的系统控制，Microchip电源管理IC负责调节车内电气系统的电源。
DSC2311是一款双输出MEMS时钟，具有与DSC400相似的低相位噪声，已通过AEC-Q100认证。
用户界面
用户界面类别包括车载娱乐（In-Car Entertainment，ICE）系统和车载信息娱乐（In-Vehicle Infotainment，IVI）系统。这两个系统提供音频和视频娱乐及驾驶员信息，例如导航。
图4展示了如何通过后视摄像头、车载WiFi和蓝牙、AM/FM无线电和CD/DVD驱动器接收数据流，然后传输到汽车应用处理器。处理器将解码输入流并将其转换为音频和视频。用户通过触摸面板选择信息娱乐菜单上的选项以进行通信，随后所请求的媒体将呈现在音频系统和显示器上。
DSC1001是符合AEC-Q100标准的低功耗振荡器，非常适合为单片机和微处理器提供时钟。在该系统中，DSC400的两路输出用于音频处理（12.288 MHz）以及与闪存之间的PCIe通信（100 MHz）。另外两路输出可用于其他外设。
变速箱控制单元
变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）是一种控制车辆自动变速箱的系统，通过处理来自多个传感器的输入来优化换档，从而改善发动机排放、燃油消耗、操控稳定性以及换档系统的可靠性。
图4给出了变速箱控制单元通过一个32位MCU处理多个传感器输入（例如轮速和节气门位置）的图示。输出数据通过放大器驱动电路发送到电磁阀，这些电磁阀用于控制变速箱，特别是换档和变矩器锁定。数据还通过车载网络进行交换，从而与其他传感器和驾驶员显示屏进行通信。
DSC1104是一款基于MEMS的单输出HCSL时钟，非常适合从处理器到存储器的各种PCIe事务。它符合PCIe Gen1、Gen2、Gen3和Gen4标准。
MEMS解决方案的优势
Microchip基于MEMS的振荡器和时钟与传统石英解决方案相比具有诸多优势，其中包括稳定的频率、小尺寸、高可靠性、灵活性、多项可编程特性、快速有保障的启动功能以及高集成度。所有基于MEMS的振荡器和时钟均通过AECQ100认证或符合AEC-Q100标准。
基于MEMS的振荡器和时钟性能
我们在MEMS白皮书中全面介绍了Microchip的MEMS技术和性能，请参见本节的结尾部分以了解详细信息。本应用笔记将探讨温度极限条件（1级，-40°C至+125°C）下频率稳定性随时间的变化（抗老化性能）。
频率稳定性
基于MEMS的振荡器和时钟将测量芯片温度，并以数字方式补偿MEMS谐振器的温度系数导致的任何频率变化，这样便可保证频率的稳定性，与传统石英XO的S曲线形成了鲜明的对比。图6显示了小于10 ppm的频率偏差。
振荡器和时钟老化
图7给出了16个DSC60xx器件样片在经过1000小时加速老化（+85°C）后的情况。频率偏差最大为2.5 ppm；在+85°C下老化1000小时与在室温（+25°C）下运行大约12年的结果相当。
MEMS白皮书
有关MEMS振荡器和时钟技术与性能的完整详细信息，请访问Microchip的MEMS时序页面，地址为
http://www.microchip.com/design-centers/clock-and-timing/mems-timing 。
该页面上还提供MEMS白皮书。
结论
Microchip基于MEMS的振荡器和时钟凭借高可靠性、频率稳定性和更大的工作温度范围而成为汽车应用的理想选择。这些产品均经过AEC-Q100认证或符合AEC-Q100标准。
可通过ClockWorks工具获取我们的MEMS振荡器和时钟样片： http://clockworks.microchip.com/Timing/ 。此外，还可在客户的工厂使用我们的TimeFlash编程器创建基于MEMS的产品样片：
http://www.microchip.com/promo/timeflash 。
来源：microchip
