颖展—— 用“芯”做电子元器件17年专注电子元器件一站式配套服务

今年，SiTime由于凭借在苹果中的广泛应用，让MEMS震荡器一炮而红。精密定时产品正在成为现代电子产品的核心，无论是在人工智能、数据中心、网络基础设施、汽车、个人移动出行还是物联网领域。根据SiTime的预估，定时市场潜在价值超过 100 亿美元。

如今，无论是SiTime的MEMS还是TI（德州仪器）的BAW（体声波），这些创新的计时技术已在通信等市场获得了认可，随着汽车电动化的到来，也带来车规级晶振需求的增加，每部汽车需配置数十颗晶振不等。

过去，ECU通常通过低速CAN、LIN或类似总线互连。分布式ECU通常结构简单，对精确定时的要求不高。数据链路速度较慢。一个晶振甚至一个精度不高的RC振荡器就足以为ECU提供时钟。

而到了域架构或区域架构时代，数据量越来越大，接口都变为了高速接口，比如以太网、FPDLink、GMSL 等等。高速接口需要低抖动时钟才能正常工作。过高的抖动会增加总线上的误码率 (BER)。在许多情况下，高时钟精度和温度稳定性（即低 ppm）至关重要。

另外，ECU 的复杂性不断增加，因此也需要更多时钟。一些域控制器，尤其是 AD/ADAS，基于多个处理器（例如，主 SoC 和视觉协处理器）构建，所有处理器均通过 PCIe 互连。比如PCIe 4.0就需要 100 MHz 差分时钟，抖动小于 500 fs（12 kHz 至 20 MHz 范围内）。

也正因此，高性能时钟的需求越来越高。

晶体振荡器是一种使用逆压电效应的电子振荡器电路，即当电场施加在某些材料上时，它会产生机械变形。因此，它利用压电材料的振动晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号。

晶体振荡器具有高稳定性、品质因数、小尺寸和低成本，这使得它们优于其他谐振器，如LC电路、陶瓷谐振器、转叉等。

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

压电效应：若在石英晶体的两个电极上加上一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振分为有源晶振和无源晶振，其中无源晶振不需要外部电源供电，但要产生振荡，通常需要与一个外部的振荡器电路配合，而这个电路需要供电。有源晶振需要外部电源供电驱动振荡器电路。有源晶振是由晶体和一个内部的放大器电路组成的，这个放大器电路需要外部供电来驱动，使得晶体产生稳定的振荡。因此，有源晶振精度高但是价格贵，无源晶振精度差但是成本低。

MEMS震荡器的原理是利用MEMS谐振器通过压电效应或静电驱动，在特定频率下共振（类似石英晶体的压电效应）。当施加电压时，谐振器发生形变并产生机械振动，振动频率由材料的物理特性和几何结构决定。

SiTime MEMS谐振器由硅制成，采用专利工艺生产，在高温环境下性能稳定，密封性好，抗损坏能力强，且与标准CMOS芯片兼容，封装过程简单，另外由于使用标准半导体制造工艺，因此可靠性和一致性都很高。

相比之下，石英振荡器制造工艺有缺陷，材料有缺陷，切割过程不完美，失败率高，封装过程和材料也引入了可靠性问题。

对于车规级应用而言，需要包括AEC - Q100标准，工作温度范围广，频率范围宽，频率稳定性好，振动敏感度低，可靠性高，体积小，低EMI，冷启动性能好，无骤降或微跳变，抗冲击、振动和热梯度等，这也是MEMS的特色所在。

SiTime在ADAS上的产品应用

SiTime的MEMS震荡器相比传统石英时钟，质量提高了数倍。

在振动噪音和注入噪音等环节中，MEMS性能远高于石英。

体声波 (BAW) 是一种谐振器技术，它使用压电式传导来生成千兆赫频率和高 Q 值谐振，可以直接集成到包含其他集成电路的标准塑料封装中。与传统石英和MEMS相比，BAW 具有许多优势，包括实现精益化制造、更高的灵活性、更高的频率稳定性和超低抖动，以及在振动和冲击等恶劣环境条件下更高的可靠性。

和SiTime一样，TI也是在通信、消费和无线领域获得了大成功之后，才将BAW应用于汽车中。日前，TI宣布推出三款车规级BAW振荡器，在 CDC6C-Q1（BAW 振荡器）、LMK3H0102- Q1（差分时钟发生器）和 LMK3C0105-Q1（LVCMOS 时钟发生器）中，BAW 集成了一个并置的精密温度传感器、一个超低抖动低功耗输出分频器，以及一个由多个低噪声 LDO 组成的小型电源复位时钟管理系统。

IVI时钟拓扑

TI 的 BAW 振荡器具有许多优势，包括：

频率灵活性：许多石英振荡器 (XO) 通过机械参数控制，一旦截止，就无法修改这些参数。BAW 振荡器能够通过 OTP 编程使用单个 IC 支持宽范围频率，从而减轻电源限制。

温度稳定性：未经补偿的 XO 温度响应类似于具有较大 ppm 变化的抛物线曲线。BAW 在任何温度范围下均可保持 ±10ppm 的温度稳定性。

振动灵敏度：XO 通常无法通过 MIL-STD，且可能高达 +10ppb/g。BAW 振荡器以 1ppb/g 的典型性能通过 MIL_STD_883F 方法 2002 条件 A。

机械冲击：基于石英的时钟通无法常通过 MILSTD，并且可能会在 2,000g 时发生故障。BAW 振荡器通过了 MIL_STD_883F 方法 2007 条件 B，变化小于 0.5ppm（高达 1,500g）。

EMI 性能：基于石英的时钟通常没有制造商提供的CISPR-25 数据。CDC6C-Q1 具有多个高达 4ns 的压摆率控制选项。使用慢速模式 2 选项，CDC6CQ1 通过了 CISPR25 5 类标准测试。LMK3H0102-Q1 和 LMK3C0105-Q1 整合了展频时钟，可提高系统和器件级别的 EMI 性能。这两款器件都在各种布线长度上符合 CISPR25 5 类标准。

PCB 面积：TI 的 BAW 振荡器系列支持 1.8V 至3.3V 电源电压，采用标准 4 引脚 DLE (3.2mm ×2.5mm)、DLF (2.5mm × 2mm)、DLX (2mm x1.6mm) 和 DLY (1.6mm x 1.2mm) 可润湿侧翼封装，可节省紧凑型电路板设计的空间。晶体最多需要四个外部元件来调整谐振频率并保持主动振荡。有源振荡器（如CDC6C 或 LMK6C）只需一个电容器即可进行电源滤波，从而简化了 BOM 并显著减少了所需的布局面积。此外，PCB 布线的寄生电容不会影响有源振荡器的频率精度，因此与晶体相比，有源振荡器距离接收器要远得多。LMK3H0102-Q1 和LMK3C0105-Q1 均采用具有可润湿侧翼的 3x3 封装。由于这两个器件都可用于代替五个单通道时钟，因此 TI 将 PCB 空间的尺寸缩小了55%。

ADAS时钟拓扑

无论是iPhone还是广泛的服务器，再到如今的汽车电子，采用半导体技术制造的晶振，相比石英的优势有很多，并且可靠性、量产性等都得到了验证，具有广阔的应用前景。