在移动电子产品市场，尺寸更小化和功能增强化的趋势继续占据主导地位。随着原始设备制造商（OEM）和原始设计制造商（ODM）开发小型、功能丰富的设备，他们必须在严格的功率预算内设计产品。此外，移动产品是在成本竞争激烈的环境中开发的，上市时间至关重要。

改进外形和功能取决于能够以合适的价格提供更小尺寸、更多功能和更高性能的组件。没有迹象表明这些趋势会放缓，然而传统的基于石英晶振在尺寸减小、性能提升和成本降低方面已达到极限。随着消费产品的功能变得更加丰富，它们需要新的定时解决方案。

表 1：智能手机和平板电脑中定时组件使用示例

全硅 MEMS 振荡器

移动设备制造商在其产品中不再需要依赖不灵活的石英晶振来提供计时或参考时钟。最新的计时创新基于微机电系统（MEMS）技术，这为移动消费电子产品带来了显著优势。与传统的 32kHz 石英晶体（XTALs）相比，这些硅 MEMS 时序解决方案为移动应用提供了若干好处。

 • 尺寸更小——尺寸减小高达 85% 

• 低功耗实现长电池寿命——功耗降低高达 50% 

• 增强抗冲击和抗振能力实现长寿命——提高多达 30 倍

• 稳定性更佳——在工业温度下稳定性提高 2 倍 

• 减少元件数量——只需 1 个芯片，而石英 XTALs 需要 3 个元件

MEMS 振荡器改善移动系统

典型的智能手机或平板电脑设计，取决于应用处理器、分区和它所支持的其他功能，可能包含若干计时设备，包括一个或多个 32kHz 的 XTALs。

图 1：智能手机框图                                         图 2：平板电脑框图 

在智能移动系统中，32kHz 的 XTALs 可以用 SiT15xx 32kHz MEMS 振荡器（见表 2）取代，以减小尺寸和降低功耗。诸如低功耗的 SiT1602 或 SiT8008 等 MEMS 振荡器（见表 3）可以为提高性能提供 MHz 参考时钟。这些 MEMS 振荡器功耗低，并具有额外的节能特性，而且它们非常坚固耐用，无铅，符合 RoHS 和 REACH 标准。 

表 2：超低功耗 1Hz 至 32kHz MEMS 振荡器（SiT15xx） 

表 3：低功耗 MHz MEMS 振荡器（SiT1602/SiT8008）

使用 32 kHz MEMS 振荡器减小尺寸 

图 3：最小的 32 kHz 振荡器（1.5×0.8×0.55H 毫米 CSP） 

典型的 MEMS 振荡器是一种全硅器件，由堆叠在高性能模拟振荡器 IC 顶部的 MEMS 谐振器芯片组成。MEMS 振荡器被模制成标准的低成本 SMD 塑料封装，占位面积小至 2.0×1.2 毫米，使其成为需要 XTAL 占位兼容的应用的理想选择。为了满足对更小的移动设备的需求，SiT15xx MEMS 振荡器也可采用 1.5×0.8×0.55H 毫米 CSP（芯片级封装）。石英晶振供应商无法提供芯片级封装。

SiT15xx 32 kHz 系列是在空间至关重要的移动应用中替代传统石英晶体的理想选择。与常见的 2.0×1.2 毫米 SMD XTAL 封装相比，SiT15xx CSP 解决方案可将占位面积减少多达 85％。与 XTAL 不同，SiT15xx 系列具有独特的输出，可直接驱动到芯片组的 XTAL-IN 引脚。不再需要传统石英 XTAL 所需的外部元件（见图 4 和 5）。除了省去外部输出负载电容外，SiT15xx 器件还具有特殊的电源滤波功能，因此不再需要外部 Vdd 旁路去耦电容。此功能进一步简化了设计，并使占位面积尽可能小。内部电源滤波设计可抑制高达±50 mVpp 至 5 MHz 的噪声。

薄型（0.55 毫米高度）MEMS 振荡器输出为设计人员在元件布局方面提供了更多灵活性。由于振荡器可以通过走线驱动时钟信号，因此无需紧邻芯片组放置，从而允许电路板设计人员进一步优化电路板布局和空间。

图 4：石英 XTAL 定时需要三个器件，总共占用 7.98 平方毫米的面积（2012 DFN + 2 个 0201 电容）

图 5：MEMS 单芯片占用面积为 1.2 平方毫米（1508 CSP），电路板面积减少 85%

使用 32 kHz MEMS 振荡器降低功耗 SiT15xx 32 kHz 系列具有超低功耗输出，仅消耗纳安级电流，并具有独特的节能特性，可延长电池寿命。

• 750nA 核心电源电流下功耗最低的 32 kHz 振荡器（典型值） 

• 可工作至 1.2V，支持纽扣电池或超级电容电池备份 

• 可编程频率低至 1Hz 以节省功耗 

• NanoDrive™输出可减小摆幅，功耗比全摆幅 LVCMOS 低 40% 

SiT15xx 器件的频率可在 1Hz 至 32.768 kHz 之间以 2 的幂次进行编程。显著降低频率可大幅降低输出负载电流（C*V*F）。例如，将频率从 32.768 kHz 降至 10 kHz，负载电流可改善 70%。同样，将输出频率从 32.768 kHz 降至 1Hz，负载电流可减少 99%以上。（请参阅第 4 - 5 页的示例）由于低频时谐振器的物理尺寸限制，石英 XTAL 无法提供低于 32.768 kHz 的频率。

随着低频选项的出现，SiT15xx 系列实现了新的电池供电架构可能性，是那些低频参考时钟始终运行的设备的理想选择。目标应用包括每秒脉冲（PPS）计时以及电源管理监测和计时。  

图 6：独特的 NanoDrive™输出摆幅可程控低至 200 mV 以最小化功耗 

SiT15xx 器件还具有 NanoDrive，这是如图 6 所示的独特可编程输出摆幅。此可编程输出级针对低电压摆幅进行了优化，以最小化功耗并保持与下游振荡器输入的兼容性。输出摆幅可从全摆幅程控低至 200 mV，以匹配芯片组并显著降低功耗。 

利用 32 kHz MEMS 振荡器的可编程特性降低电流消耗 

以下示例说明了降低输出摆幅和频率如何影响电流消耗。通过使用可编程的 NanoDrive 来降低输出摆幅，并将输出频率降低至 1 Hz，可实现最低的可能电流消耗。这种组合实际上可以消除输出级和负载电流的电流消耗。  

空载电源电流 - 在计算 SiT15xx 器件的空载功率时，需要将内核和输出驱动器组件相加。由于输出电压摆幅可以程控在 250 mV 至 800 mV 之间以降低摆幅，因此输出驱动器电流是可变的。因此，空载工作电源电流分为内核和输出驱动器两部分。以下示例说明了 NanoDrive 降低摆幅输出的低功耗优势。例如，与 LVCMOS（2.1V）摆幅相比，空载电流改善了 20%以上。  

公式如下：总电源电流（空载）= Idd 内核 + Idd 输出级 其中，

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 =（165nA/V）（Voutpp）

• 对于 NanoDrive 降低摆幅，选择输出电压摆幅，或 VOH/VOL  

示例 1：全摆幅 LVCMOS 

• Vdd = 3.3V（平均值）

• Voutpp = 2.1V（器件的最大输出）

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 =（165nA/V）（2.1V）= 347nA 空载电源电流 = 750nA + 397nA = 1097nA 

示例 2：NanoDrive™降低摆幅 

• Vdd = 3.3V（平均值）

• NanoDrive 输出选择：

• Voutpp = VOH - VOL = 0.6V 

• 其中，VOH = 1.1V，VOL = 0.5V 

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 =（165nA/V）（0.6V）= 100nA NanoDrive 的空载电源电流 = 750nA + 100nA = 850nA

带负载的总电源电流 - 要计算包括负载在内的总电源电流，请遵循下面列出的公式。额外的负载电流来自负载电容、输出电压和频率（C*V*F）的组合。由于 SiT15xx 包含 NanoDrive 减小摆幅输出以及可选择低至 1Hz 的输出频率，这两个变量将显著改善负载电流。

当考虑负载电流时，NanoDrive 的优势变得非常显著。如示例 4 所示，使用 NanoDrive 可将功率降低 40%以上。如示例 5 所示，降低输出时钟频率会显著降低负载电流。

总电流 = Idd 内核 + Idd 输出驱动器 + 负载电流 其中，

• Idd 内核 = 750nA

• Idd 输出级 = (165nA/V)(Voutpp) 

• Idd 负载 = CLoad * Vout * 频率 

• 假设负载电容为 10pF 

示例 3：全摆幅 LVCMOS 

• Vdd = 3.0V（平均值） 

• Voutpp = 2.1V（此器件的最大输出摆幅） 

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出驱动器：(165nA/V)(2.1V) = 347nA 

• 负载电流：(10pF)(2.1V)(32.768kHz) = 688nA 带负载的总电流 = 750nA + 347nA + 688nA = 1785nA 

示例 4：NanoDrive™ 减小摆幅 

• Vdd = 3.0V（平均值） 

• NanoDrive 输出选择： 

• Voutpp = VOH - VOL = 0.5V 

• 其中，VOH = 1.1V，VOL = 0.6V 

• Idd 内核 = 750nA

 • Idd 输出级 = (165nA/V)(0.5V) = 83nA 

• 负载电流：(10pF)(0.5V)(32.768kHz) = 164nA 带负载的总电流 = 750nA + 83nA + 164nA = 997nA 

示例 5：NanoDrive™ 降低摆幅和 1Hz 输出频率 

• 与上述示例 2 的条件相同，但输出频率 = 1Hz。这将显著降低输出级和负载的电流消耗。 

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = （5.04pA/V）（0.5V）（1Hz）= 2.52pA 

• 1Hz 输出频率对负载电流的影响如下所示：负载电流 = CVF = （10pF）（0.5V）（1Hz）= 5pA 带负载的总电源电流 = 内核电流 + 输出级电流 + 负载电流 = 750nA + 0.00252nA + 0.005nA = 750nA

使用 32 kHz MEMS 振荡器提高精度

频率稳定性的老化和变化是导致时钟不准确的误差源。频率稳定性是指时钟在电压和温度下的稳定性。SiT15xx 系列在工厂进行了校准（修整），以确保在室温下频率稳定性小于 20 PPM，在 -40°C 至 +85°C 的整个温度范围内小于 100 PPM。与具有以 25°C 为转折点的经典音叉抛物线温度曲线的石英晶体不同，SiT15xx 器件的温度系数在整个温度范围内极其平坦。当工作电压在 3.0V 至 4.3V 之间时，该系列在整个工作温度范围内保持小于 100 PPM 的频率稳定性，在低至 2.7V 的低压操作时保持 150 PPM 的频率稳定性。老化定义了时钟随时间的频率稳定性，通常以 1 年为间隔进行测量。SiT15xx 器件在 25°C 下的老化为± 3 PPM，而石英 XTAL 为± 5 PPM。

使用 32 kHz MEMS 振荡器提高可靠性 

移动产品可能会处于恶劣环境中。在机械冲击和振动、电磁干扰（EMI）和极端温度等各种条件下，MEMS 振荡器的性能优于石英晶振。具备 50,000g 冲击、70g 振动和 2 FIT 可靠性，硅 MEMS 谐振器固有的耐用性和小质量使其比石英晶振更坚固。有关 MEMS 振荡器的弹性和可靠性的更多详细信息，请访问 www.sitime.com/support/application-notes 查看应用说明。

除了机械坚固性和 FIT 可靠性之外，MEMS 振荡器在温度范围内具有可靠的启动性能。MEMS 振荡器在同一封装内集成了匹配正确的谐振器和维持电路，消除了石英晶体常见的启动问题。  

总结

移动产品的设计人员和制造商需要能够实现快速创新的新解决方案。MEMS 定时技术的进步迅速超越了石英定时技术。基于 MEMS 的振荡器现在提供了领先移动设备所需的尺寸、性能和功能。

• 超小型定时解决方案实现更小更薄的设计 

• 低功耗振荡器和独特的节能功能延长电池寿命 

• 更高的可靠性以及抗冲击和抗振动能力 • 更高的性能，具有更好的稳定性和精度  

表 4：石英晶体与 SiT15xx MEMS 振荡器的总结比较  

MEMS 振荡器采用可编程平台设计，使其具有高度的灵活性。除了尺寸和性能优势外，MEMS 硅晶振还具有显著的供应链优势。作为无晶圆厂半导体生态系统的一部分，SiTime 利用庞大的半导体制造、封装和测试基础设施，提供具有成本效益且交货期很短的解决方案。

随着移动设备变得更加复杂，定时要求提高，SiTime 的超小型基于 MEMS 的解决方案是智能移动应用的理想解决方案。