图1. 频率控制技术的演进

　　尽管MEMS谐振器技术已经解决了石英晶体的基本缺陷，但刚刚进入竞争激烈的频率控制市场，它也存在一些缺点。首先，MEMS器件小于石英晶体，所以无法提供更多能量到振荡周期。这意味着，在相同的频率下转换效率低，从而造成信噪比较差。第二，传统的MEMS材料，例如单晶硅、多晶硅，甚至聚硅锗，随温度变化的漂移显著，这会带来信号完整性和热滞问题。

　　2010年，Silicon Labs通过收购一家名为Silicon Clocks的公司，获得了在大批量生产中把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，实现完全集成的、高可靠性的CMEMS技术。“在标准CMOS芯片上集成高精度振荡器的梦想，已经由Silicon Labs公司和他们最新推出的Si50x CMEMS振荡器系列变为现实。”Steven Zhang 表示。

　　CMEMS技术是频率控制市场的重要技术进步。通过结合MEMS和CMOS两者的最好特性，CMEMS可编程振荡器能够为成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用提供最佳的通用型振荡器解决方案。

　　CMEMS相比XO的优势

　　相比传统的石英晶体振荡器(XO)，Si50x CMEMS可编程振荡器主要有下面这些优点：

　　1、针对成本、空间和功耗敏感型应用的通用振荡器;

　　2、定制样片交付时间少于2周;

　　3、直接替换晶体振荡器 (XO) ;

　　4、在客户现场使用现场编程器立即定制样片;

　　5、高稳定性和可预见性供应链;

　　6、在全温度范围、撞击、震动等环境下，具有10年的高稳定频率输出;

　　7、性能与XO相比，在震动、撞击、温度和老化环境下更可靠。

　　传统的石英供应链复杂、高成本，且低效率。他们高定制化的制造流程(几周到几个月的交付时间)不仅增加供应链的管理难度，同时还限制参考振荡器产生的频率范围。随着计算、通信和网络装置的数据速率的增长，这种限制对提供高质量高频时钟信号时钟的合成将产生更多压力。CMEMS工艺流程极大简化了供应链。大大缩短交付时间(小于2周)和从kHz到GHz输出频率的无限可编程性。

　　图2. CMEMS定制样片交付时间少于2周

　　“更好的谐振器等于更好的稳定性，CMEMS技术确保数据手册中的性能具有10年的频率稳定性，包括焊接偏移、负载牵引、VDD变化、运行温度范围、振动和冲击，并保证操作寿命性能是其他公司XO和MEMS振荡器的10倍。” Steven Zhang说。

　　Si50x在全温度范围内具有高稳定的频率参考，传统的MEMS谐振器具有-30-40ppm/°C的频率漂移，而CMEMS频率漂移 < ±1ppm/°C。与其它解决方案相比，温度稳定性高5-10倍。如下图3所示，使用经典的“魔鬼测试”，包括暴露在骤冷和骤热环境中，Si50x都表现出出色的频率稳定性。全温度范围内具有更可靠的一致性工作性能，增强了目标应用的长期稳定性。

　　

　　图3. Si50x抗骤冷骤热变化能力

　　此外，Si50x还是高稳定和可靠的振荡器，与同类晶体相比，原子质量小于61000倍，这使它不易受撞击、震动、加速度和老化影响。

　　Si50x强势替代传统XO

　　结合Silicon Labs混合信号的专业知识，CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定，解决了热滞或信号完整性问题，具有高度耐冲击和振动能力，并具有10年以上的±20ppm频率稳定性保证。CMEMS单芯片振荡器将会成为晶体振荡器的替代解决方案。

　　Si50x CMEMS 振荡器系列产品包括针对工业、嵌入式和消费电子市场的四种可编程芯片，如下图4所示。每种芯片都可通过网络或现场定制。

　　

　　图4. Si50x CMEMS 振荡器系列产品概述

　　“Si501/2/3/4是通用XO替代产品，适用于应用需要：低功耗 (1–8mA)、低频率，LVCMOS时钟 (<100MHz)、小尺寸 (2.0x2.5mm)、低成本 (~$0.50 10K EAU)、高可靠性(高振动，高温度)、好的消费/嵌入式抖动性能 (1.1ps RMS 周期抖动)的系统中。” Steven Zhang表示。

　　此外，针对消费类、嵌入式和工业中的通用定时需求，Si50x不仅是SoCs, CPLDs, mPs, FPGA 数字逻辑的理想时钟源，也是消费/嵌入式应用于中数据通路的理想时钟源，例如，SAS, SATA, DDR3和PCIe。

　　“目前世强不推荐将Si50x用于通信应用，因为通信应用通常需要低相位抖动(<1ps RMS 12kHz-20MHz)， Silicon Labs晶体振荡器 (Si51x, Si53x, Si59x) 更适用于这种应用。”“但是我们今年下半年推出的SI504/5/6/7/8/9等高精度，低抖动，更高频率输出的延续产品可以满足众多通讯时钟需求。”Steven Zhang强调。

　　如下图5所示，Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表。Si50x系列产品完善了Silicon Labs的振荡器产品系列。Si501/2/3/4系列产品针对工业、嵌入式和消费类市场中低成本、低功耗、通用目的振荡器。而Silicon Labs的Si51x/9x/3x针对具有高性能、低相位抖动需求的通信和数据传输应用。

　　

　　图5. Si50x CMEMS振荡器与Si51x、Si59x和Si53x/5x/7x XO的性价对比表?

　　“Si50x振荡器可提供网络定制的2周样品交付周期，世强的FAE还可以在客户现场即刻编程，使用现场编程器进行0延时样片交付。这种灵活的可编程性，使得Si50x 系列产品可以快速满足客户的特殊需求。此外，Si50x振荡器与现有的石英或MEMS振荡器引脚和封装兼容，可实现快速便捷的替换解决方案。” Steven Zhang表示。

　　

　　图6. 使用现场编程器进行0延时样片交付

　　应用设计实例

　　Si50x应用目标锁定于工业安防，变频伺服等需要超长寿命需求，以及数码相机、存储和内存、ATM机、POS机和多功能打印机等需要小封装晶振的领域。能够可靠和有效的用于典型的目标应用，包括：

　　SoC视频应用处理器 (Roku)

　　10/100快速以太网 (SoC & NIC/LOM 实现)

　　USB 2.0 (480Mbps)

　　USB 3.0 (5Gbps)

　　DDR3

　　工业安防

　　通讯

　　作为众多MCU的参考时钟取代传统晶振

　　如下图7所示，在10/100快速以太网应用中，分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501 EVB的抖动。测试结果显示，Si501在低抖动模式下几乎与R&S高端信号发生器的随机抖动性能相同，Si501在低功耗模式下抖动性能稍有下降，但仍具有可接受的系统抖动裕量。所以，Si50x适合作为10/100快速以太网参考时钟。

　　

　　图7. 10/100快速以太网——分别在低抖动和低功耗模式下测量Si501 EVB的抖动

　　如下图8所示，在USB 2.0的应用中，对比石英晶体振荡器，Si501低抖动模式和低功耗模式的眼图抖动性测试，所有配置均通过USB 2.0兼容性测试，Si501性能等于或超过典型的解决方案，所以Si501适用于作为USB2.0的参考时钟。

　　

　　图8. USB 2.0兼容性测试

　　Steven Zhang 最后特别指出：“Si50x的产品定位就是取代传统的XO，所以他的价钱也和XO相当，客户不用担心用不起。所以，工程师们请不要再囿于自己惯性思维的泥潭而不能自拔。不管你愿不愿意，CMEMS 振荡器已经来了。”