今年，SiTime由于憑借在蘋果中的廣泛應用，讓MEMS震蕩器一炮而紅。精密定時產(chǎn)品正在成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心，無論是在人工智能、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡基礎設施、汽車、個人移動出行還是物聯(lián)網(wǎng)領域。根據(jù)SiTime的預估，定時市場潛在價值超過 100 億美元。

如今，無論是SiTime的MEMS還是TI（德州儀器）的BAW（體聲波），這些創(chuàng)新的計時技術已在通信等市場獲得了認可，隨著汽車電動化的到來，也帶來車規(guī)級晶振需求的增加，每部汽車需配置數(shù)十顆晶振不等。

過去，ECU通常通過低速CAN、LIN或類似總線互連。分布式ECU通常結構簡單，對精確定時的要求不高。數(shù)據(jù)鏈路速度較慢。一個晶振甚至一個精度不高的RC振蕩器就足以為ECU提供時鐘。

而到了域架構或區(qū)域架構時代，數(shù)據(jù)量越來越大，接口都變?yōu)榱烁咚俳涌?，比如以太網(wǎng)、FPDLink、GMSL 等等。高速接口需要低抖動時鐘才能正常工作。過高的抖動會增加總線上的誤碼率 (BER)。在許多情況下，高時鐘精度和溫度穩(wěn)定性（即低 ppm）至關重要。

另外，ECU 的復雜性不斷增加，因此也需要更多時鐘。一些域控制器，尤其是 AD/ADAS，基于多個處理器（例如，主 SoC 和視覺協(xié)處理器）構建，所有處理器均通過 PCIe 互連。比如PCIe 4.0就需要 100 MHz 差分時鐘，抖動小于 500 fs（12 kHz 至 20 MHz 范圍內(nèi)）。

也正因此，高性能時鐘的需求越來越高。

晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產(chǎn)生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號。

晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質(zhì)因數(shù)、小尺寸和低成本，這使得它們優(yōu)于其他諧振器，如LC電路、陶瓷諧振器、轉(zhuǎn)叉等。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

壓電效應：若在石英晶體的兩個電極上加上一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。

在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。

晶振分為有源晶振和無源晶振，其中無源晶振不需要外部電源供電，但要產(chǎn)生振蕩，通常需要與一個外部的振蕩器電路配合，而這個電路需要供電。有源晶振需要外部電源供電驅(qū)動振蕩器電路。有源晶振是由晶體和一個內(nèi)部的放大器電路組成的，這個放大器電路需要外部供電來驅(qū)動，使得晶體產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。因此，有源晶振精度高但是價格貴，無源晶振精度差但是成本低。

MEMS震蕩器的原理是利用MEMS諧振器通過壓電效應或靜電驅(qū)動，在特定頻率下共振（類似石英晶體的壓電效應）。當施加電壓時，諧振器發(fā)生形變并產(chǎn)生機械振動，振動頻率由材料的物理特性和幾何結構決定。

SiTime MEMS諧振器由硅制成，采用專利工藝生產(chǎn)，在高溫環(huán)境下性能穩(wěn)定，密封性好，抗損壞能力強，且與標準CMOS芯片兼容，封裝過程簡單，另外由于使用標準半導體制造工藝，因此可靠性和一致性都很高。

相比之下，石英振蕩器制造工藝有缺陷，材料有缺陷，切割過程不完美，失敗率高，封裝過程和材料也引入了可靠性問題。

對于車規(guī)級應用而言，需要包括AEC - Q100標準，工作溫度范圍廣，頻率范圍寬，頻率穩(wěn)定性好，振動敏感度低，可靠性高，體積小，低EMI，冷啟動性能好，無驟降或微跳變，抗沖擊、振動和熱梯度等，這也是MEMS的特色所在。

SiTime在ADAS上的產(chǎn)品應用

SiTime的MEMS震蕩器相比傳統(tǒng)石英時鐘，質(zhì)量提高了數(shù)倍。

在振動噪音和注入噪音等環(huán)節(jié)中，MEMS性能遠高于石英。

體聲波 (BAW) 是一種諧振器技術，它使用壓電式傳導來生成千兆赫頻率和高 Q 值諧振，可以直接集成到包含其他集成電路的標準塑料封裝中。與傳統(tǒng)石英和MEMS相比，BAW 具有許多優(yōu)勢，包括實現(xiàn)精益化制造、更高的靈活性、更高的頻率穩(wěn)定性和超低抖動，以及在振動和沖擊等惡劣環(huán)境條件下更高的可靠性。

和SiTime一樣，TI也是在通信、消費和無線領域獲得了大成功之后，才將BAW應用于汽車中。日前，TI宣布推出三款車規(guī)級BAW振蕩器，在 CDC6C-Q1（BAW 振蕩器）、LMK3H0102- Q1（差分時鐘發(fā)生器）和 LMK3C0105-Q1（LVCMOS 時鐘發(fā)生器）中，BAW 集成了一個并置的精密溫度傳感器、一個超低抖動低功耗輸出分頻器，以及一個由多個低噪聲 LDO 組成的小型電源復位時鐘管理系統(tǒng)。

IVI時鐘拓撲

TI 的 BAW 振蕩器具有許多優(yōu)勢，包括：

頻率靈活性：許多石英振蕩器 (XO) 通過機械參數(shù)控制，一旦截止，就無法修改這些參數(shù)。BAW 振蕩器能夠通過 OTP 編程使用單個 IC 支持寬范圍頻率，從而減輕電源限制。

溫度穩(wěn)定性：未經(jīng)補償?shù)?nbsp;XO 溫度響應類似于具有較大 ppm 變化的拋物線曲線。BAW 在任何溫度范圍下均可保持 ±10ppm 的溫度穩(wěn)定性。

振動靈敏度：XO 通常無法通過 MIL-STD，且可能高達 +10ppb/g。BAW 振蕩器以 1ppb/g 的典型性能通過 MIL_STD_883F 方法 2002 條件 A。

機械沖擊：基于石英的時鐘通無法常通過 MILSTD，并且可能會在 2,000g 時發(fā)生故障。BAW 振蕩器通過了 MIL_STD_883F 方法 2007 條件 B，變化小于 0.5ppm（高達 1,500g）。

EMI 性能：基于石英的時鐘通常沒有制造商提供的CISPR-25 數(shù)據(jù)。CDC6C-Q1 具有多個高達 4ns 的壓擺率控制選項。使用慢速模式 2 選項，CDC6CQ1 通過了 CISPR25 5 類標準測試。LMK3H0102-Q1 和 LMK3C0105-Q1 整合了展頻時鐘，可提高系統(tǒng)和器件級別的 EMI 性能。這兩款器件都在各種布線長度上符合 CISPR25 5 類標準。

PCB 面積：TI 的 BAW 振蕩器系列支持 1.8V 至3.3V 電源電壓，采用標準 4 引腳 DLE (3.2mm ×2.5mm)、DLF (2.5mm × 2mm)、DLX (2mm x1.6mm) 和 DLY (1.6mm x 1.2mm) 可潤濕側(cè)翼封裝，可節(jié)省緊湊型電路板設計的空間。晶體最多需要四個外部元件來調(diào)整諧振頻率并保持主動振蕩。有源振蕩器（如CDC6C 或 LMK6C）只需一個電容器即可進行電源濾波，從而簡化了 BOM 并顯著減少了所需的布局面積。此外，PCB 布線的寄生電容不會影響有源振蕩器的頻率精度，因此與晶體相比，有源振蕩器距離接收器要遠得多。LMK3H0102-Q1 和LMK3C0105-Q1 均采用具有可潤濕側(cè)翼的 3x3 封裝。由于這兩個器件都可用于代替五個單通道時鐘，因此 TI 將 PCB 空間的尺寸縮小了55%。

ADAS時鐘拓撲

無論是iPhone還是廣泛的服務器，再到如今的汽車電子，采用半導體技術制造的晶振，相比石英的優(yōu)勢有很多，并且可靠性、量產(chǎn)性等都得到了驗證，具有廣闊的應用前景。