一、摘要

本文介绍了一种基于 MEMS 的温补晶体振荡器（TCXO），其在 -40°C 至 +85°C 范围内的频率稳定性低于 1ppm（百万分之一）。文中描述了其系统架构、MEMS 谐振器以及关键电路模块。该振荡器在 26MHz 载波下，1kHz 处的相位噪声为 -134dBc/Hz，10kHz 处为 -142dBc/Hz，远端相位噪声为 -158dBc/Hz。此外，其在 12kHz 至 20MHz 范围内的集成抖动为 0.5ps。该振荡器的频率可在 1MHz 至 220MHz 之间编程，在 26MHz 时，从 1.8V 至 3.3V 电源的电流消耗为 32mA。还讨论了从石英振荡器到 MEMS 振荡器的转变，回顾了振荡器架构及随之而来的优点，例如可编程性、可靠性和稳健性的提高，以及对振动和电磁干扰敏感性的降低。

二、引言  

MEMS 振荡器正在时钟、定时和频率发生器应用中取代石英振荡器。在本文中，我们讨论了首批稳定性优于百万分之一（ppm）的商用 MEMS 振荡器。本文重点在于这些振荡器的架构，以及该架构如何从传统石英振荡器所用架构改进而来。

在所有商用 MEMS 振荡器中，输出源自 MEMS 谐振器，其中谐振器的频率通过分数 N 锁相环（PLL）转换。在数字状态机的控制下，PLL 补偿了谐振器的初始频率偏移以及随温度的频率变化。石英振荡器通常在其晶体的谐振频率下产生输出频率，并且不依赖电路来调整该频率。在温度补偿石英振荡器中，频率补偿通常通过电容加载来拉动谐振器实现，而不是使用分数 PLL。

因此，MEMS 振荡器以电路为中心，而简单的石英振荡器则以材料为中心。这种以电路为中心的选择是由 MEMS 谐振器的需求和市场要求驱动的，并由于 CMOS 能力的不断进步而成为可能。

MEMS振荡器 和石英振荡器可分为三类：普通晶体振荡器（XOs），精度为±100ppm（百万分之一）至±25ppm。温补晶体振荡器（TCXOs），精度为±2.5ppm 至±500ppb（十亿分之一），在极少数情况下可达±100ppb。恒温晶体振荡器（OCXOs），精度从±100ppb 至±1ppb 或更低。它们的价格与其精度成反比；一个 50ppm 的振荡器可能花费 0.40 美元，而一个 1ppb 的振荡器可能花费 400 美元。

三、架构

石英晶振通过机械工艺解决、而 MEMS硅晶振通过电子方式解决的有三个应用驱动因素：

（1）提供广泛的应用频率

（2）在生产公差范围内调整谐振器频率

（3）对温度变化进行谐振器频率补偿。

商业应用需要数百种不同的频率。在石英振荡器中，谐振器必须精确地制造到这些频率，这就需要将晶体切割和研磨成数百种不同的厚度。二阶效应通常要求针对每个频率优化晶体的横向尺寸。

在广泛变化的频率范围内构建 MEMS 谐振器将是困难、耗时且昂贵的。商业 MEMS 谐振器需要多年的单独开发，通常涉及许多制造和测试周期。推导出不同频率的设计通常并不简单。对于横向模式的谐振器，每个频率的尺寸或形状都是特定的，这意味着需要为每个频率进行额外的流片。对于垂直模式的谐振器，每个频率都需要优化多种材料厚度。显然，对于 MEMS 谐振器来说，提供数百甚至数十种频率在商业上可能不可行。

石英晶体单独被调整到其指定的频率，或者在 TCXO（温度补偿晶体振荡器）的情况下被调整到其指定频率的牵引范围内。这种机械调整通常通过离子铣削或激光烧蚀石英或金属化层来完成。MEMS 谐振器也可以通过这种方式进行调整；然而，机械调整会使本已困难的 MEMS 设计和封装变得更加复杂。

当前一代的 MEMS 谐振器比 AT 切石英显示出更大的温度敏感性，虽然 MEMS振荡器 可以进行温度补偿[1]，但迄今为止展示的器件具有比许多应用所能容忍的更大的敏感性。出于这个原因，MEMS 振荡器通常在电子上进行温度补偿。在这个意义上，它们类似于石英 TCXO。但与仅针对某些精密应用进行温度补偿的石英振荡器不同，MEMS 振荡器在大多数应用中都进行了补偿。与石英 TCXO 不同，MEMS 振荡器通常不是通过谐振器牵引来调整，而是通过分数 PLL 乘法来调整。

分数 PLL 技术在早期的石英振荡器中不可用。因此，设计人员别无选择，只能开发一种能够支持一系列频率、能够进行调整，并且在某些情况下能够根据温度进行调整或牵引的谐振器技术。另一方面，我们现在拥有电路技术，可以将 MEMS 振荡器的频率编程到其应用要求，在生产过程中进行调整，并根据温度进行补偿。

使用这种以电路为中心的方法简化了 MEMS 谐振器的开发和生产，同时也提供了显著的商业优势。例如，不需要各种预定义频率的振荡器库存，并且可以快速提供定制频率。

图 1. 振荡器拓扑

图 1 展示了以电路为中心的振荡器拓扑。该架构包含一个锁相环（PLL），用于将谐振器频率转换为应用需求。该锁相环是分数式的，以便在生产容差范围内调整谐振器，其乘法值是可变的，以补偿温度。一个状态机（硬件或软件形式）控制锁相环，并从非易失性存储器中获取其参数。

既然这种架构对微机电系统（MEMS）振荡器效果良好，那为什么不用于石英振荡器呢？或者换句话说，为什么不将这种新的电路技术应用回石英振荡器呢？我们尚未在很大程度上看到这种情况。可能有很多原因，其中之一是现有行业存在组织惯性——大多数石英晶振供应商擅长晶体加工而非电路设计。对他们来说，开发电路基础设施会缓慢且昂贵。

四、关键电路 

TDC（温度数字转换器）提供温度补偿数据。此处振荡器中的 TDC 针对低温读出噪声进行了优化，因为温度数据中的噪声在输出频率中接近相位噪声。对于此振荡器的目标应用，我们需要的相位噪声水平要求对 TDC 给予特别关注。

在设计温度传感器时有很多选择。默认拓扑是在 CMOS 芯片中使用双极晶体管的 Delta-VBE 电路。这些温度传感器具有许多有利特性：它们是线性的、易于校准、易于理解、高度进化、使用适度的芯片面积并且功耗低。此外，它们纯粹基于电路。

然而，在这种情况下，我们选择使用热敏电阻作为检测元件，因为热敏电阻提供了更高的信噪比。

图 2. 平衡桥 TDC

图 2 展示了我们用于将热敏电阻阻值数字化的平衡电桥拓扑结构。反馈回路的作用是将热敏电阻和微调参考电阻之间的节点保持在中间值，Temp 输出是一个数字值。  

要构建此 TDC，必须有一个稳定的参考电阻，但在常见的 CMOS 中无法获得这样的电阻。因此，我们用开关电容构建了一个等效参考。在 CMOS 中，电容器本质上是稳定的，并且我们有一个源自 MEMS 谐振器的稳定参考频率来为电容器切换定时。谐振器频率确实会随温度变化，但变化幅度比热敏电阻小两个数量级，并且也是以可预测的方式变化，因此可以视为固定频率。因此，所得的参考非常稳定。

图 3. 开关电容参考电阻

图 3 更详细地展示了 TDC 转换器。TDC 通过迫使开关电容的有效电阻与热敏电阻的电阻匹配来工作。通过以可选的速率闭合 Ø1 然后 Ø2，开关参考电容器 C2 遵循欧姆定律，具有可选电阻。该速率由一个驱动分数导出频率的西格玛 - 德尔塔反馈回路控制。电容器 C1 对切换过程中的电流进行平均。通过这种方式，回路平衡了热敏电阻的电阻，并提供了数字化的 Temp 输出。从量化器开始，回路的大部分是数字的。

TDC 在三个方面比此处描述的更复杂：

（1）通过极性交换并用两组电路检测来差分测量热敏电阻

（2）以四线配置（开尔文连接）驱动和检测热敏电阻

（3）量化器中隐含的中电源参考是动态生成的。M. Perrott [2] 发表了更详细的 TDC 描述。

热敏电阻与 ADC 之间从来没有电压或电流。热敏电阻和 TDC 在反馈系统中工作以得出温度，从来没有模拟温度值被数字化。

图 4. 转换能量与分辨率的品质因数

TDC 在 5Hz 带宽下提供 98uK 的分辨率，同时在 3.3V 电压下消耗 3.9mA 电流。图 4 将其能效和分辨率与其他集成 TDC 进行了比较。与比较组中的其他产品相比，该 TDC 的噪声低一个数量级以上，并且能在低于 20pJK2 的情况下做到这一点。此图中的比较数据由 K. Makinwa [3] 编制。

分数 N 锁相环（frac-N PLL）提供了从 1MHz 到 220MHz（最终除以 2 之后）的可编程输出频率。它针对低相位噪声和低功耗进行了优化。图 5 展示了其框图。锁相环的详细信息已由 F. Lee [4] 发表。

图 5. 分数 N 锁相环

通常认为锁相环是一个频率转换电路，并且为此功能消耗功率。有时人们认为这是一种功率“浪费”，因为如果谐振器处于输出频率，就不需要锁相环。然而，锁相环的一个关键优势是，在其滤波器带宽以上，它提供的相位噪声低于其参考值。

图 6. MEMS 和锁相环的相位噪声，参考频率为 48MHz

图 6 显示了 MEMS振荡器 输出和锁相环输出的相位噪声。从 10kHz 到 300kHz，锁相环输出相位噪声比 MEMS 参考值高 6dB，但其远端相位噪声低 12dB。在许多情况下，远端相位噪声比近端相位噪声更重要。例如，在高速串行链路中，关键规格是从 12kHz 到 20MHz 的积分抖动。积分在频率上是线性的，因此远端相位噪声主导了近端相位噪声。经过锁相环后的积分抖动低于之前。

对于高速串行链路，在 156.25MHz 的常见输出频率下，振荡器在 12kHz 到 20MHz 之间的积分相位抖动为 0.5ps，石英供应商认为这是极低的抖动。因此，我们说：“锁相环是我们的朋友！”它们不仅仅进行频率转换、修整和补偿。它们降低了输出相位噪声。

五、MEMS 谐振器和热敏电阻 

MEMS 谐振器的发展可追溯到 20 世纪 60 年代末，Nathanson 于 1967 年首次发表了相关成果[5]。早期的谐振器是音频滤波器，并不适用于参考。作为参考，它们无法提供所需的稳定性或相位噪声。其局限性可归因于谐振器材料和封装的清洁度。

为了使谐振器具有稳定的频率，必须使用稳定的材料来制造。最初的谐振器由金属制成，但由于金属存在内应力、滞后和老化现象，对于频率参考而言不够稳定。20 世纪 70 年代末在 IBM[6,7]和 90 年代在伯克利的材料研究分别表明氧化硅和多晶硅[8]可用作谐振器材料。20 世纪 90 年代和 21 世纪初的进一步研究将单晶硅开发为一种最佳的谐振器材料。目前，单晶硅和多晶硅都用于 MEMS 谐振器。包括氮化铝在内的其他以硅为中心的材料正在开发中，其中一些已经开发了多年[9]。但迄今为止，除了硅以外，没有其他材料在商业上取得成功。对更奇特的材料，如多晶金刚石的研究正在进行中[10,11]。

随着谐振器尺寸的减小，其体积与表面积的比率降低，因此它们对表面污染的敏感性增加。为了将频率参考的稳定性保持在百万分之一的范围内，必须尽量减少污染对谐振器的质量负载。人们发现，即使是一层表面污染物也可能使谐振器的频率超出规格。这就对非常清洁的封装提出了要求。粘结盖已足够清洁，能够生产出具有 XO 型精度的商业谐振器。这里所述部件中使用的外延封装可能更清洁，并容易使 TCXO 达到 OCXO 级的稳定性。

图 7. MEMS硅晶振封装横截面

图 7 显示了用于谐振器和热敏电阻的封装横截面图。这种封装的制造过程如下：（1）对 SOI 晶圆进行刻蚀以定义谐振器，（2）沉积并图案化保护氧化物，（3）沉积并图案化带有通风口的硅，（4）释放谐振器，（5）关闭通风口并沉积厚封装，（6）蚀刻并填充接触隔离沟槽，（7）以常规方式制造并钝化金属走线。

图 8. 谐振器等轴视图

图 8 显示了一个 48MHz 谐振器的等轴视图。箭头表示共振时的机械运动，每个环同相膨胀和收缩。每个环的内部和外部都有静电驱动和感应电极。这些环锚定在横梁中点附近。 

图 9 显示了一个标称谐振器响应的网络分析仪图。谐振频率为 48.016MHz，品质因数为 147k。 

图 10 显示了在此过程中的一个示例 SEM 横截面。SEM 是对已切割的晶圆边缘进行拍摄的，其中一个谐振器突出。SEM 的顶部显示了 MEMS 晶圆的顶面。

图 9. 示例谐振器响应，f = 48.016 MHz，Q = 147k 

图 10. 切割晶圆的谐振器横截面 SEM

MEMS 热敏电阻由单晶硅制造。与谐振器一样，它被完全真空封装并释放。因为它与谐振器一起封装，所以免受环境污染，因此非常稳定。电阻从基板上释放。

图 11. 补偿后的输出频率 v. 温度

输出相位噪声是输出频率的函数。图 12 显示了 156.25MHz 时的相位噪声，这是高速串行链路系统的常见频率。

图 12. 156.25 MHz 时的输出相位噪声。在安捷伦 5052B 上测量

在这种情况下，从 12KHz 到 20MHz 的集成相位噪声为 493fs（不包括杂散）和 689fs（包括杂散）。通常，此频率下的电信应用考虑到其他地方的杂散，并关注随机集成抖动，即 493fs 值。、

图 13. 芯片照片

图 14. 封装图，显示引线框架、CMOS 和 MEMS 芯片

图 13 显示了芯片照片，图 14 显示了封装的 MEMS 和 CMOS 芯片的示意图。MEMS 芯片安装在 CMOS 芯片的顶部，后者被模制成 QFN 封装。

六、展望 TCOCXOs

当振荡器保持在高温状态时，其频率稳定性要优于其温度随环境变化的情况。当 TCXO 进行加热时，它被称为 OCTCXO。

图 15. 控温输出频率与环境温度

图 15 展示了嵌入加热模块中的 MEMS 振荡器的频率与温度的关系。当作为 OCTCXO 运行时，在 -45°C 至 +90°C 的温度范围内，其频率可稳定在±10ppb。图 15 中的括号显示了常见的应用温度和精度要求，包括蜂窝基站和用于电信网络的 Stratum-3E 振荡器。目前，石英 OXCO 通常提供 10ppb 至 100ppb 的精度，尽管大多数石英 OCXO 不能在整个 -40°C 至 +85°C 的温度范围内运行。

请注意，本文中显示的结果来自生产材料，但图 15 中的数据来自工作台上的单个部件。尽管如此，了解 MEMS 振荡器可能支持这些 OCXO 应用是很重要的。

七、结论

展望未来，这种以电路为中心的架构很可能主导定时生成。与简单振荡器架构相比，其优势显著，而且在功耗和芯片面积方面的成本正在稳步降低。  

目前，已经使用这种以电路为中心的架构生产了近 2 亿个 MEMS 振荡器。这一部分的增长率强劲，每年约为 70%。SiTime 已被德勤 LLP 列入其 Fast 500TM 排名，成为北美增长最快的半导体公司[12]。而对于石英供应商来说并非如此，他们的增长缓慢甚至为负。这种转变有很多原因，其中包括 MEMS振荡器具有更好的可靠性、稳健性、供应链支持和成本结构，以及一个重要原因是 MEMS 振荡器基于可编程、灵活且高精度的现代架构。