Si50x CMEMS振蕩器架構

與此相反，CMEMS諧振器采用兩種材料制造：多晶鍺硅（poly-SiGe）和二氧化硅（SiO2）。如圖7所示，SiO2有一個與SiGe相反的溫度系數。Si50x諧振器中對這些材料溫度系數的平衡和設計生成個位數ppm/℃的溫度系數，如圖8所示。這種復合材料補償提供了諧振器的被動補償，允許CMOS系統使用更小、更簡單、更低電能和更高成本效率的電路，以便更精確的補償整個產品運行生命周期中的頻率漂移。

圖7. 模擬的SiO2和SiGe未補償的溫度系數曲線圖顯示±30-40ppm/℃

圖8. 被動補償的SiGe+SiO2諧振器曲線圖（紅線）顯示~1ppm/℃溫度系數

例如，如果諧振器有較大的溫度系數，降低諧振器溫度系數意味著來自溫度傳感器的隨機測量波動（噪聲）將按照更小的因數成比例關系驅動頻率鎖環路（FLL）產生預期的輸出時鐘。因此，一個更低功率（高噪聲）的溫度傳感器能夠用于獲得與未補償諧振器相同的性能等級。此外，因為被動補償的諧振器的溫度系數與未補償的諧振器（~-1ppm 對 ~-30ppm）相比低5%，因此任何由老化引起的溫度計錯誤幾乎不怎么影響振蕩器系統性能。

Si50x CMEMS系列產品使用被動補償諧振器作為其參考頻率。它采用成本優化的、低功耗數字FLL架構去產生設備的系統和輸出時鐘，如圖9所示。FLL使用MEMS參考頻率連同來自片上數字控制的VCO的分頻信號一起驅動頻率比較器，該比較器可生成頻率誤差值并反饋它們給FLL數字環路濾波器。環路濾波器累積并進一步連同數字溫度補償信息一起處理頻率誤差值，生成數字碼以通過DAC傳輸到VCO，最終生成目標輸出頻率。

圖9. Si50x CMEMS振蕩器架構和框圖

該器件也使用溫度補償的信息去抵消任何MEMS振蕩器的溫度漂移。為了使FLL產生數字溫度補償信息，振蕩器使用高分辨率、低噪聲溫度傳感器和溫度補償算法。在最終測試中，每個芯片針對溫度和MEMS諧振頻率對進行校準，并把數值存儲在片上存儲器。當溫度變動時，補償電路使用該校準信息去為FLL器件驅動相關的高次多項式。采用CMEMS技術的單芯片集成電路使得頻率控制系統變得快速和精準。由于整個系統在密閉的亞微米距離內，因此具有非常緊密的熱耦合特性。

圖10. Si50x CMEMS全溫度范圍內的頻率穩定性

完整的FLL過程每秒發生成千上萬次，提供全溫度范圍內極好的頻率精確度和穩定度，如圖10所示，振蕩器也提供了這種環路架構的低功耗版本，它把FLL采樣周期降低到一個較長的周期，并且提供低偏置電路給VCO，這為需要滿足相關抖動規范的應用減少一半以上的功耗。

Si50x振蕩器負荷測試性能

使用CMEMS工藝的器件在整個生命周期、溫度范圍和各種負荷中提供比其它現有技術更穩定的振蕩器性能。這些好處將會減少現場故障，提高整個生命周期內的系統可靠性，幫助系統免于外部影響，從而獲得更高可靠性。

使用經典的“魔鬼測試”，包括暴露在驟冷和驟熱環境中，能夠幫助快速驗證CMEMS相關選項的好處。正如我們之前在圖11和圖12中討論和演示的內容，雙組件的解決方案容易受到熱遲延影響，很難進行熱環境下的系統補償，導致操作頻率有很大偏差。換句話說，單片CMEMS解決方案僅有極小的變化。這在非控制的或非預期的環境中提供了更好的穩定性。值得注意的是在兩幅圖中通過閉合的高精度Y軸坐標上展示了Si50x CMEMS振蕩器的變化，而對于傳統的晶體振蕩器和MEMS振蕩器圖來說，由于偏差太大，它們在同樣高精度的Y軸上難以觀察。

圖11. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器的驟熱測試結果

圖12. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器驟冷測試結果對比

與現有的混合技術相比，CMEMS長期老化性能也很優秀。圖13提供了幾個晶體和MEMS振蕩器與Si50x CMEMS振蕩器的對比圖。在這個圖中，晶體振蕩器根據MIL-0-5530B在70℃進行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃進行老化，然后推算到相同時間。此外，CMEMS芯片對現有的MEMS技術方法進行了相當多的改進，為采用CMEMS技術的系統提供了整個生命周期內的更高穩定性。

圖13. 晶體、MEMS和CMEMS振蕩器老化測試結果對比

Si50x CMEMS 振蕩器系列產品

Si50x CMEMS振蕩器系列產品包括針對工業、嵌入式和消費電子市場的四種可編程芯片，如表1所示。每種芯片都可通過網絡或現場定制。網絡定制的樣片可在兩周內交付。芯片也可在客戶辦公室使用現場編程器電路板進行編程，如圖14所示。這種靈活的可編程性，使得Si50x系列產品可以快速滿足客戶的特殊需求。

表1 - Si50x CMEMS振蕩器系列產品概述