作者：RICHARD COMERFORD，電子產品高級技術編輯

基于 MEMS 技術的新型溫度補償“晶體”振蕩器或 TCXO 即將上市。它們被稱為 Super-TCXO，是迄今為止可用的最小、最準確的低功耗/低頻定時解決方案。它們意義重大的關鍵在于它們在低頻范圍內提供超小尺寸，范圍從 1 Hz 到 1 MHz，包括基本的 32 kHz。雖然 Super-TCXO 主要用于提高系統中的計時精度，但它們也可以替代一個或多個基于石英的設備，并改善面積、組件成本和功率。?

當今的時鐘需求

通常，TCXO 是一種溫度補償振蕩器。與諧振器/晶體或時鐘發生器相比，振蕩器在一個設備中包含諧振器和振蕩器電路（圖 1）。今天，石英晶體在非常小的封裝中不能提供低頻，因此不適合使用低頻時鐘的小型電池供電產品。然而，迅速興起的物聯網 (IoT) 和可穿戴領域是精密 32 kHz 參考時鐘的完美應用。例如，典型的可穿戴應用有一個很小的電池（通常 <300 mAHr）并且空間非常有限。低頻 Super-TCXO 的其他應用包括工業物聯網（智能電表、電表、照明、安全）、消費電子產品（健康和健康監視器、家庭自動化、便攜式音頻）和移動設備（平板電腦、電子閱讀器和電話）。?

圖 1：創建完整的振蕩器或 TCXO 需要有源和無源器件。

小尺寸是基于 MEMS 的振蕩器的固有優勢。在石英晶體技術中，物理學規定頻率越低，晶體諧振器越大。然而，MEMS 諧振器沒有相同的限制。SiTime MEMS 諧振器的典型裸片尺寸為 0.4 x 0.4 mm，其質量是典型石英晶體諧振器的 1/3,000。由于 SiTime 的 MEMS 諧振器（參見“第一款 Super-TCXO”，對面）完全封裝在硅中并在 CMOS 晶圓廠中制造，因此它們可以使用現代技術進行封裝，包括晶圓級芯片級封裝 (WLCSP)。 ?

超穩定 (±5 ppm) Super-TCXO 的一個關鍵優勢是它能夠比石英設備更精確地打開和關閉無線接口，從而最大限度地減少無線接口的開啟時間，從而延長電池壽命。因此，Super-TCXO 可以承擔各種計時功能，例如實時時鐘 (RTC) 或音頻子系統的參考，以及用于常見連接接口（例如藍牙、低藍牙）的所謂睡眠時鐘能源或 BLE 和 WiFi）。

例如，可穿戴設備通常需要兩個 32-kHz 參考時鐘：一個用于 BT/BLE 芯片的睡眠時鐘，一個用于 MCU/SOC 的 RTC。因為 Super-TCXO 是有源元件，它們可以輕松驅動兩個負載——這是諧振器無法做到的。因此，一個 Super-TCXO 可以替代多個石英 XO 或 XTAL，減少物料清單 (BOM)，同時節省空間和成本。有源 TCXO 的高驅動能力還意味著它可以在空間受限的板上提供靈活的布局。

睡眠和準確性

睡眠時鐘是當今低功耗便攜式設備省電的關鍵，它是在系統其余部分空閑、休眠或關閉時運行的參考時鐘。理想的睡眠時鐘頻率是 32 kHz，因為它消耗的功率最少，并且很容易以電子方式劃分為一秒以達到計時目的。消耗最少的功率尤其重要，因為大多數系統都要求此參考時鐘始終運行。需要驅動系統 RTC 以便跟蹤時間，并且在包含無線連接的系統中，當無線子系統（例如藍牙、BLE、WiFi ) 未運行。

擁有準確的睡眠時鐘尤為重要。在連接狀態期間，無線子系統在循環睡眠場景中運行以節省電力，定期喚醒以接收來自中央或主系統的 ping。為了在準確的時間喚醒，外圍無線設備依賴于 32 kHz 睡眠時鐘的準確性。由于主從睡眠時鐘固有的不準確性，外圍設備必須提前喚醒，以避免錯過來自主設備的 ping。在這個早期的導通時間內，會消耗功率，從而導致功率損失。因此，使用高精度 Super-TCXO（±5 ppm，而傳統石英晶體的 180 至 200 ppm）可以延長睡眠時間并顯著節省系統功耗。

完整性

一個組件成為整體一部分的能力——如果你愿意的話，它的完整性能力——對于它在當今高度集成的電子產品中的應用至關重要。可穿戴、物聯網和移動產品是推動小型化的應用示例，這在很大程度上是通過子系統的模塊化來實現的。手機中的模塊包括電源管理（PMU、μDC-DC轉換器）、RF/FEM功率放大器、存儲/SSD和連接（BLE、WLAN）模塊；通過模塊化，每個都可以縮小大約 35% 到 90% 的尺寸。 ?

因為它們由兩個全硅芯片組成，采用芯片級封裝，所以 Super-TCXO 可以包覆成型并集成到系統級封裝 (SIP) 模塊中。此外，具有系統內自動校準功能的 Super-TCXO 可以補償在組裝、回流、底部填充和/或包覆成型期間由板級應力引起的頻率誤差。

最初，Super-TCXO 在多個溫度點上進行校準（修整），以通過有源溫度校正電路確保在 –40°C 至 +85°C 范圍內具有極高的穩定性。此外，在系統組裝好并且印刷電路板準備好進行生產測試后，Super-TCXO 可以在最終系統測試期間自動校準。為此，Super-TCXO 應用了一個 GPS 規范的精密 10 MHz 時鐘。它的時鐘與精確的 10-MHz 時鐘進行比較，從而消除了產生的誤差。自動校準通常需要 2 到 5 秒，這與生產系統測試的其余部分同時進行。自動校準后，典型頻率偏移小于±5 ppm。

第一個 Super-TXCO

第一個 Super-TCXO — SiTime ( www.sitime.com ) 的 SiT1566、SiT1568 和 SiT1576 32-kHz 振蕩器 — 采用 1.5 x 0.8 x 0.6-mm 封裝。這使它們的占地面積僅為 1.2 mm 2 — 比石英產品小 85% — 并使它們最薄 40%。此外，基于 MEMS 的振蕩器使用 TempFlat MEMS 技術，使其能夠在 –40°C 至 85°C 的工作范圍內提供 ±5 ppm 的精度，從而實現天文臺級計時和最長的電池壽命。其中一個器件 SiT1568 還提供創新的系統內自動校準功能，讓客戶能夠消除在系統組裝、回流、底部填充和包覆成型過程中由應力引起的時序誤差。SiT1576 還可在 1 Hz 至 1 MHz 的范圍內進行編程。

所有器件都具有可編程的溫度感應更新率，在工業和移動應用中，在存在快速熱梯度的情況下保持動態和整體穩定性。MEMS IC 可以驅動多個負載以減少所需的組件數量。第一年老化為 ±1.5 ppm（是石英器件的兩倍），啟動時間為 300 ms（快 65%），其抖動性能支持音頻應用。

審核編輯 黃昊宇
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