MEMS 振荡器在恶劣环境中更具弹性

电子电机用于各种各样的应用中，并且经常受到环境压力因素的影响，包括极高的温度以及高水平的噪声、振动或冲击。为了可靠运行，参考定时设备必须极其有弹性。由于其设计、较小的质量和超清洁的制造工艺，硅 MEMS 谐振器本质上比石英更坚固。此外，振荡器 IC 中的复杂模拟设计技术增加了 MEMS 振荡器的弹性和性能。

为满足电机控制需求，SiTime MEMS 振荡器具有以下特点：

• 高工作温度——MHz 振荡器高达 125°C，kHz 振荡器高达 105°C 

• 出色的频率稳定性——在整个温度范围内

• 抗振动（70g 振动）——比石英振荡器好 30 倍 

• 抗冲击（50,000g 冲击）——比石英振荡器好 25 倍 

• 低电磁敏感性（EMS）——比石英振荡器好 50 倍 

• 对电源噪声的低敏感度（PSNS）——比石英振荡器好 10 倍 

• 更高的可靠性，< 1 FIT 率（10 亿小时 MTBF）——比石英振荡器好 30 倍

MEMS 振荡器更抗冲击和振动

冲击和振动力可能会降低性能并导致石英振荡器失效。晶体谐振器是悬臂结构，对机械力非常敏感，容易因振动而增加相位噪声和抖动，因冲击而产生频率尖峰。相比之下，MEMS 谐振器的振动较小，因为MEMS 谐振器的质量比石英谐振器低 1000 至 3000 倍。这减少了振动引起的加速度对谐振器施加的力。SiTime MEMS 谐振器是刚性结构，以体模式在平面内振动，这种几何结构本质上就具有抗振动性。

振动敏感度或 g 敏感度，以 ppb/g 表示，代表由加速度力引起的频率变化。图 1 以 ppb/g 为单位绘制了正弦振动引起的噪声杂散，以展示 SiTime MEMS 振荡器在不同频率下与基于石英的振荡器相比的低振动敏感度。

图 1：振荡器对正弦振动的敏感度

此外，SiTime 振荡器在 1.5×0.8 mm的微小封装（kHz 振荡器）以及 2.0×1.6 QFN 和 SOT23-5 小封装（MHz 振荡器）中实现了 0.1ppb/g 的性能。石英晶振必须使用大型专用封装才能实现低 g 敏感度。

为了模拟设备在实际条件下的性能，SiTime 在各种条件下对具有类似规格的 MEMS振荡器和石英振荡器进行了测试，包括正弦振动（如上所示）、随机振动和冲击影响。

图 2：振荡器对 500g 冲击的敏感度  

图 2 显示了不同振荡器的机械冲击测试结果。一些石英器件对冲击特别敏感，并表现出显著的频率偏差

MEMS 振荡器对电磁能量和电源噪声具有高度免疫力

电磁敏感性（EMS）在电机控制设计中是一个重要的考虑因素，因为电磁（EM）能量会显著影响振荡器的性能。电动机的开关动作可能是瞬态干扰（电磁脉冲）的主要来源。电源和其他电子元件也会发射电磁能量，产生噪声杂散并降低时钟信号质量。

与石英振荡器相比，具有精心设计模拟电路的 MEMS 振荡器对电磁噪声不太敏感。石英振荡器封装上的金属盖并不能保证免受电磁力的影响。EMS 性能更多地取决于振荡器的固有谐振器阻抗和耦合机制以及模拟电路设计。基于标准的测试表明，SiTime 振荡器的性能优于其他时钟设备，如图 3 所示。

图 3：各种振荡器上平均电磁感应相位噪声杂散 

系统中的电源可能是有害于系统性能的主要噪声源，并且当电源开关时，这种噪声会被放大。这种噪声中的大部分可以通过无源滤波器和去耦电容器滤除。然而，仍有一些噪声存在，并且诸如接地反弹等电路板问题会对时钟抖动产生负面影响。电源噪声敏感度（PSNS）是模拟电路设计中使用的一个参数，它表明电路对来自电源的噪声的鲁棒性。测试结果表明，SiTime 振荡器的 PSNS 远优于石英器件，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 50 mV 峰 - 峰值电源噪声，集成相位抖动作为电源开关噪声频率的函数，将石英晶振的结果与 SiTime MEMS 振荡器进行比较。如图所示，SiTime MEMS 振荡器在几乎所有噪声频率下的抖动都更低。与典型的石英振荡器制造商不同，SiTime 为其 MEMS 振荡器设计模拟电路，使用包括 PSNS 电路在内的先进模拟设计技术来保护振荡器免受电源引起的抖动。

图 4：在存在 50 mV 峰峰值电源噪声的情况下，SiTime MEMS 振荡器（下方曲线）和石英振荡器的相位抖动与电源开关噪声频率的关系

MEMS 振荡器可编程性

SiTime 定时解决方案采用可编程架构设计。广泛的规格在工厂按订单编程，并在极短的交货期内交付，为设计人员提供了极其广泛的可配置选项。例如，输出频率在宽工作范围内编程，精度达到六位小数。SiTime 器件具有诸如可编程驱动强度以控制上升和下降时间等特殊功能。此功能允许设计人员更改输出边沿速率，从而降低系统内的 EMI。此外，系统设计人员可以使用现场可编程振荡器和 Time Machine II™振荡器编程器在自己的实验室中即时对 SiTime MHz 振荡器进行编程。由于 SiTime 振荡器采用行业标准封装，是石英晶振的直接替代品，并且在设计人员开发原型时可以轻松替代石英晶振。 

表 1：SiTime 振荡器中的广泛可配置特性

MEMS 振荡器封装样式和尺寸 

除了上述丰富的功能集之外，SiTime 定时产品还提供一系列封装以满足应用需求。

• 直接替代石英晶振：SiTime 行业标准 QFN 塑料封装（2012、2016、2520、3225、5032 和 7050）与石英晶振引脚兼容。由于这些封装适合常见的石英振荡器 PCB 焊盘布局，MEMS 振荡器无需任何电路板更改即可轻松替代石英晶振。 

• 板级可靠性最高：对于需要最高焊点可靠性的应用，SiTime MEMS振荡器采用 SOT23-5 封装。 

• 超小型：32 kHz 振荡器采用 2012 QFN 封装和超小型 1508（1.5 x 0.8 x 0.6H 毫米）CSP（芯片级封装）。

结论：

工业电机控制应用通常会面临从极端温度到高水平振动、冲击和电源感应噪声等各种操作环境。在这些恶劣条件下，参考振荡器必须符合其规格，并且不能因机械或电气损坏而失效。如果振荡器不具有弹性，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弱点，为电机控制设备提供了更强大和可靠的定时解决方案。