在电子医疗设备的精密世界中，定时组件如同精心雕琢的谐振器和振荡器，其作用至关重要，确保所有信号皆与那个无可替代的时钟源同步。它们，从某种深邃的层面而言，宛如系统的心脏，为整个体系提供了稳定的脉动。

传统的定时组件，多基于石英晶振，虽然历经岁月洗礼，但相较于新兴的MEMS（微机电系统）定时组件，它们似乎在灵活性的角逐中稍显逊色。然而，正是这种MEMS技术的兴起，使得我们见证了一个定时领域的革新。基于MEMS的定时产品，以其无与伦比的可靠性、坚固性、小巧的尺寸、低功耗以及成本优势，正逐步在市场中崭露头角，迅速取代传统的石英定时组件。MEMS硅晶振不仅灵活多变，而且功能丰富，为电子医疗设备带来了前所未有的可能。

基于 MEMS 的定时解决方案的优势：           

 • 灵活性 - 可编程架构、始终有库存的现场可编程设备、短生产交货期        

• 功能丰富 - 特殊功能和特性，如扩频和可编程驱动强度以降低 EMI 

• 坚固可靠 - 可靠性高 20 倍，抗 EMI 能力强 54 倍，抗振动能力高达 30 倍，抗冲击能力高达 25 倍 

• 小尺寸 - 提供多种行业标准封装，包括小的 2016 封装，与石英引脚兼容，便于直接替换

 • 低功耗 - 低功耗和其他针对便携式设备的节能特性 • 低拥有成本 - 具有硅成本轨迹的更低价格，长期节省更多

由于特殊要求（例如电磁兼容性）和电子医疗设备的多样性，在医疗行业采用 MEMS硅晶振变得越来越重要。这些应用，从诊断和监测仪器到治疗设备，往往非常具体且常常复杂，它们需要灵活而强大的解决方案。

现场可编程架构

通过在医疗应用中越来越多地使用 FPGA 可以证明，定制和现场可编程性对于满足多样化医疗电子行业的设计需求至关重要。除了满足特定的设计要求外，可编程解决方案还加速了设计和测试周期的所有阶段。可编程定时组件提供了类似的好处。与仅提供选定频率、电压和稳定性规格的石英振荡器不同，基于 MEMS 的振荡器采用可编程架构，能够实现这些规格的任意组合。

MEMS 振荡器由与模拟振荡器 IC 封装在一起的 MEMS 谐振器芯片组成。如图 1 左侧所示，针对不同的应用需求有不同类型的 MEMS 谐振器。MEMS 谐振器连接到模拟 IC 上的 MEMS 专用电路块，并通过静电激励驱动。

   图 1：SiTime 基于 MEMS 振荡器的可编程架构

输出频率通过位于模拟振荡器芯片上的分数 N PPL（锁相环）进行配置和生成。频率范围从 1Hz 到 650MHz，精度为 6 位小数。输出驱动器支持可配置的驱动强度。片上一次性可编程（OTP）存储器用于存储编程参数。

现场可编程定时解决方案  

现场可编程（FP）振荡器，例如 SiTime 提供的那些，允许快速原型制作和实时定制功能。FP 振荡器有多种行业标准封装尺寸可供选择，并且可以使用 MEMS 振荡器编程器配置为确切的规格。有关可用选项（部分列表），请参见下表。

现场可编程振荡器

现场可编程压控振荡器（VCXO） 

具有可编程的牵引范围，从±25 到±1600ppm，牵引范围线性度<1%

现场可编程扩频振荡器（SSXO）

中心扩展范围为±0.25%至±2%，向下扩展范围为-0.5%至-4%

现场可编程扩频振荡器（SSXO），中心扩展范围为±0.25%至±2%，向下扩展范围为-0.5%至-4% 通过使用编程器和 FP 器件，设计人员可以在器件的工作范围内即时编程任何频率、稳定性和电源电压。输出驱动强度也可以配置。此外，在 VCXO 器件中，牵引范围可以从±25 到±1600 ppm 进行编程。凭借定制的频率和特性，这些可编程解决方案可以优化系统设计，同时显著减少设计和开发时间。

MEMS 振荡器编程器

Time Machine II™ 是 SiTime 推出的一款低成本 MEMS 振荡器编程器。这款小巧耐用的编程器非常便携，适用于实验室或设计师的办公桌。该编程器兼容所有个人电脑和微软 Windows®系统，通过一根同时为其供电的 USB 电缆与电脑相连。要对器件进行编程，将 FP 振荡器插入插座卡。通过输入部件编号或使用内置的部件编号生成器指定所需的配置（见图 2）。接下来，用户点击“编程”，不到五秒即可完成部件编程。编程器套件装在 DVD 大小的便携箱中，包括一个基本编程器、插座卡、包含 FP 振荡器的样品包、软件以及对器件进行编程所需的所有配件。

图 2：Time Machine II 接口和部件编号生成器能够快速轻松地对多种规格进行编程

可编程驱动强度减少电磁问题

电磁兼容性（EMC）在医疗电子领域是一个主要问题，因为电磁干扰（EMI）可能导致医疗设备故障，造成严重后果。在世界大部分地区，必须符合 IEC 60601-1-2 等 EMC 标准。该标准主要关注对外部 EMI 的抗扰度，但也涉及设备内部的 EM 发射。使用 MEMS 振荡器可以减少这两种类型的 EM 问题（发射和抗扰度）。时钟是连续 EMI 噪声的主要来源（发射器）。方波时钟的频谱由基频以及一系列高次谐波组成。屏蔽和滤波是用于最小化 EMI 影响的常用技术，但这会占用电路板空间、增加成本和复杂性，而且对于某些医疗设备，可能无法保护整个系统。降低时钟发出的能量水平是减少干扰的有效技术。这可以通过使用 SiTime 的扩频振荡器或使用 SiTime 所有振荡器都具备的可编程驱动强度功能来实现。

图 3：谐波 EMI 降低与上升/下降时间变慢的函数关系

可编程驱动强度为特定应用优化时钟上升/下降时间提供了一种简单的方法，包括能够通过减慢上升/下降时间来改善系统辐射 EMI。图 3 显示了随着上升/下降时间增加（变慢），谐波功率的降低。上升/下降时间表示为时钟周期的比率。对于 0.05 的比率，信号非常接近方波。对于 0.45 的比率，上升/下降时间非常接近近三角形波形。例如，这些结果表明，如果上升/下降沿从周期的 5%增加到 45%，第 11 次时钟谐波可以降低 35dB。

SiTime 的扩频振荡器（见第 3 页的表格）是降低 EMI 的另一种选择。这些振荡器具有可配置的扩展选项，中心扩展百分比（调制限制）为±0.25%、±0.5%、±1.0%或±2.0%，向下扩展百分比为 -0.5%、-1.0%、-2.0%或 -4.0%。通过随时间缓慢调制时钟频率，基频和谐波频率中的峰值频谱能量均会降低。SiTime 的振荡器采用行业标准封装，与石英振荡器的封装尺寸兼容。作为石英产品的直接替代品，如果在设计周期后期出现 EMC 问题，SiTime 振荡器可以轻松使用。它们可以帮助通过环境测试，无需任何电路板更改或使用额外昂贵的组件。

强大且可靠的定时解决方案

随着医疗技术的进步和应用的多样化，医疗设备使用的环境变得更加多样化。无论是在电子设备和无线通信增加的临床环境中，还是在便携式和家庭医疗保健设备使用日益增多的现场环境中，医疗设备必须可靠并且能够承受各种工作条件。MEMS 振荡器的更高可靠性和稳健性使其比石英产品具有重要优势。SiTime 的 MEMS 定时器件具有硅级可靠性，对机械冲击和振动具有更好的稳健性，并且对 EMI 具有更好的抗扰性。如图 4 所示，硅本质上比石英更可靠。SiTime 的 MEMS 谐振器采用先进的 Epi-Seal™工艺进行真空密封，可消除异物颗粒并提高可靠性。

图 4：可靠性比较[3]

SiTime 振荡器对 EMI 和电源噪声具有高度免疫力，因此，它们非常适合在其他设备、电源或其他电磁能源附近运行的医疗设备。如图 5 所示，SiTime 振荡器表现出最佳（最低）的 EMS（电磁敏感性）。这是由于独特的振荡器设计和 MEMS 谐振器结构。差分架构和片上稳压器也使 SiTime 振荡器对电源上的噪声更具弹性，如图 6 所示。与较大的石英谐振器相比，SiTime 谐振器的极小尺寸最大限度地减少了天线拾取效应。此外，SiTime 的 MEMS 谐振器是静电驱动的，因此与压电驱动的石英器件相比，本质上对 EMI 具有免疫力。

图 5：电磁敏感性[4] 图 6：电源噪声抑制[5]

SiTime 的 MEMS 谐振器设计本质上对冲击和振动具有很强的稳健性。谐振器非常小的质量和结构设计使其对机械加速度等外力具有极强的免疫力。图 7 显示了各种振荡器的 ppb/g 性能，图 8 显示了承受 500g 冲击时的频率偏差。与 SAW 和基于三次泛音石英的振荡器相比，SiTime 振荡器（SiT9120）在冲击和振动测试中均表现出最佳性能。

图 7：振动稳健性[6]                                                   图 8：冲击稳健性[7]

结论

医疗保健行业的趋势创造了对广泛的经济实惠且可靠的医疗设备的需求，这些设备可改善患者的诊断和治疗。医疗设备设计师和制造商需要灵活、强大、功能丰富的组件来应对当今的设计挑战。SiTime 的现场可编程 MEMS 振荡器是医疗设计的理想选择——它们提供更高的可靠性、更好的抗冲击、抗振动和抗 EMI 能力、更小的尺寸、更低的功耗和更低的成本。使用 Time Machine II 编程器可立即提供任何规格的样品，并且生产量的交货期非常短。作为石英振荡器的直接替代品，SiTime 的 MEMS 振荡器正在迅速取代传统的石英振荡器。