SiTime 的 Elite Platform™ 振荡器和 Super-TCXO™ 系列基于一种新颖的架构，该架构由 DualMEMS™ 芯片和具有专有温度补偿方案及低噪声频率合成器的混合信号 CMOS IC 组成。这种架构实现了出色的动态性能、超低抖动、宽频率范围和可编程性。凭借 DualMEMS 技术，SiTime 利用了公司丰富的 MEMS 设计和制造专业知识，以及对硅作为热、机械和电气材料的理解，生产出了世界上最精确的温度传感器，以更低的成本、更低的功耗实现了类似 OCXO 的性能。从根本上说，独特的 DualMEMS 芯片结构和 TurboCompensation™ 温度补偿使频率在温度范围内具有出色的稳定性，并对动态热干扰具有强大的稳健性。基于石英晶体的 TCXO 无法与 DualMEMS Super-TCXO 器件的稳定性和弹性相匹配。

图 1:  Elite  Platform  架构

DualMEMS 技术独特地允许在单个芯片内共同制造两个硅 MEMS 谐振器。其中一个谐振器采用 SiTime 的 TempFlat™ MEMS 技术设计，以实现频率在温度范围内的平坦响应。在没有补偿电路的情况下，仅 TempFlat MEMS 就显著提高了硅 MEMS 振荡器在 -40°C 至 +85°C 温度范围内未经补偿的频率稳定性，使其小于 ±60 ppm。TempFlat-MEMS 在温度范围内增强的频率稳定性比石英晶体好两倍，在某些应用中无需温度传感器和外部补偿电路。对于像云服务器和电信基站这样需要更好频率稳定性的应用，TempFlat MEMS 大大简化了所需的补偿电路，并降低了整体系统尺寸、功耗和成本。DualMEMS 芯片中的第二个谐振器被设计为一个极其精确的温度传感器。其频率对温度变化敏感，线性斜率约为 ±7 ppm/°C。这两个谐振器的频率比提供了对谐振器温度极其快速和准确的读数，分辨率为 30 µK，带宽为数百赫兹。温度读数被用作混合信号 CMOS IC 中采用的温度补偿算法的输入。最终，Elite Platform Super-TCXO 的温度补偿频率偏移在 -40°C 至 +85°C 之间降低到小于 ±1 ppm。这种温度传感方案称为 TurboCompensation。

图 2：TurboCompensation 温度传感和无噪声温度补偿，分辨率 <30 μK

在DualMEMS 结构中，TempFlat MEMS 谐振器和温度传感器几乎完美地热耦合，因为它们彼此的物理位置尽可能接近，两者仅相隔 100 µm。此外，定时谐振器和温度传感器谐振器通过硅进行热分流，硅是一种优良的热导体。这种设计大大减少了 TempFlat™ 谐振器和温度传感器之间的热传递时间常数。硅 MEMS 微制造使 TempFlat™ 谐振器和温度传感器谐振器具有相同的结构，具有相同（非常小）的质量和等效的与环境的热路径，因此它们一起升温降温，几乎没有滞后。任何发生的温度滞后（例如由于某些不对称热通量的应用）都会很快稳定到其稳态条件。

观察 Elite Platform Super-TCXO 与 50-ppb 石英 TCXO 在气流、温度斜坡、抽头测试和 VDD 波动下的动态性能。

石英 TCXO 的性能从根本上受到使用分立温度传感器的阻碍。石英晶体谐振器与单独的温度传感器之间缺乏热耦合，使得无法设计快速的温度补偿回路，并且在不引起回路稳定性问题和性能问题的情况下消除热梯度。因此，基于石英的 TCXO 通常具有 5 至 10Hz 的补偿带宽，太慢而无法跟踪快速的温度变化，当石英 TCXO 受到气流和/或温度扰动时会导致频率突然跳跃。

相比之下，石英 TCXO 架构使用带有温度传感器（例如 BJT 带隙温度传感器或热敏电阻）的外部 CMOS IC 以及补偿电路，它们安装在距离石英晶体较远的陶瓷封装中。因此，石英 TCXO 在谐振器和温度传感器之间存在较弱的热耦合。因此，当器件受到快速变化的热干扰时，晶体和温度传感器之间会存在温度滞后。晶体和温度传感器之间较大的温度偏移导致在温度补偿方案中应用错误的系数，从而使输出时钟的频率偏离所需频率。此外，当晶体和传感器分别稳定到其稳态温度值时，由热事件引起的频率偏移会持续很长时间。事实上，当石英 TCXO 受到热干扰（例如打开风扇进行对流冷却或打开相邻的大量散热系统组件）时，在系统中通常会观察到输出频率的波动。

图 3：TempFlat 定时谐振器和 DualMEMS 芯片结构中采用的温度传感器谐振器之间的温差，对流热通量入射在一侧。 仅观察到 52 mK 的温度偏移，系统在不到 10 ms 的时间内稳定到该值。

图 4：石英晶体谐振器和带有温度传感器的 CMOS 芯片之间的温差，对流热通量入射在石英晶体顶部。 观察到接近 3.5K 的温度偏移，系统需要将近整整一秒才能稳定到该值。

在 Comsol Multiphysics® 中进行的热模拟验证了 DualMEMS 芯片结构的固有优越性。图 3 显示了在 DualMEMS 芯片一侧施加对流热通量时，TempFlat 谐振器和温度传感器之间的温度偏移。这种高度不对称的热通量对于基于 DualMEMS 的器件来说是最坏的情况，因为施加的热源更靠近其中一个谐振器，从而在 TempFlat 谐振器和温度传感器谐振器之间形成热梯度（尽管很小）。在实际情况中，热通量会从各个方向入射，从而使两个谐振器对称受热。然而，DualMEMS 结构仍然显示出对热干扰具有很强的抗性。在此示例中（如图 3 所示），热通量在 TempFlat 和温度传感器谐振器之间仅产生 52 毫开尔文的温度偏差，并且温度在不到 10 毫秒后稳定到其稳态值。然而，当石英晶体受到相同的热通量照射时，基于石英的振荡器就没有那么强的鲁棒性。图 4 表明，石英晶体和带有温度传感器的 CMOS IC 之间的温度偏移要大得多，几乎为 3.5 开尔文，并且需要将近 1 秒才能稳定到这个值。显然，结果表明 Elite Platform DualMEMS 架构的热性能比典型的石英 TCXO 好几个数量级。

图 5a：Allin 封装交叉——一个石英振荡器部分（去盖）

图 5b：陶瓷封装中的去盖石英 TCXO，晶体安装在顶部

图 5 c : 拆下石英晶体后，CMOS IC 在下面露出

利用硅 MEMS 技术，可以在同一芯片上制造定时谐振器和温度传感器。使用传统的石英晶体组装工艺无法共同制造谐振器和温度传感器。石英 TCXO 的封装、材料和性能限制要求晶体和温度传感器之间有较大的位移。石英换能器需要对石英毛坯进行精心的加工、抛光和修整，以在整个温度范围内实现所需的频率稳定性，而 CMOS IC 上的振荡器电路、温度传感器和补偿电路则使用传统的硅微制造技术制造。将这两个基于不同材料系统的组件集成在一起带来了许多挑战。石英换能器通常使用导电胶粘剂安装在陶瓷封装中，使其悬浮在封装腔内的氮气环境中。晶体通过钨通孔和金线键合与安装在封装底部的 CMOS IC 电连接。图 5 显示了 a）一体化石英振荡器陶瓷封装的横截面示意图，b）顶部安装有石英晶体的开盖部件，c）移除石英晶体后的同一部件，露出安装在封装底部晶体下方的带有温度传感器、振荡器和补偿电路的 CMOS IC。

图 6：SiTime QFN 封装示意图，MEMS 芯片直接安装在 CMOS IC 顶部

精英平台 DualMEMS 不存在这种权衡。温度传感器和定时谐振器位于同一个芯片上，该芯片直接安装在 CMOS IC 芯片上，如图 6 所示。MEMS 芯片与 CMOS 芯片以及温度补偿电路的接近也确保了这些元件之间紧密的热耦合。  

总之，在需要精确和稳定定时参考的应用中，精英平台超级 TCXO 为基于石英的 TCXO 提供了性能更高、更稳定和更可靠的替代方案。凭借 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 温度传感技术，精英平台设备对温度瞬变的感知和补偿速度比基于石英的 TCXO 快得多。DualMEMS 架构由 TempFlat MEMS 谐振器和温度传感谐振器组成，它们热耦合并与 TurboCompensation 技术（一种专有的温度补偿方案和低噪声频率合成器）相结合，实现了比石英 TCXO 快 40 倍的温度跟踪。这些元素共同提供了出色的动态性能，能够在诸如快速温度变化和气流等环境压力下保持<1ppm 的频率稳定性。这些元素还有助于使该器件不受冲击、振动和噪声电源的影响，并实现可靠的性能，具有出色的艾伦偏差、低抖动和低相位噪声。