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SiTime:十年磨一剑,Elite Platform让电信与网络产品更加稳定可靠

2016/09/30
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阅读需 27 分钟
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我们对传统的石英晶振并不陌生,几乎所有的电子设备都离不开这款器件。但是石英晶振有不可避免的缺点,那就是在温度或者工作电源电压发生变化时精度不准,其性能受环境条件和电路元件选择的影响很大。而对于电信设备来说,置身的环境各种各样,温度、湿度随着季节、环境变化很大,因此需要时钟元件必须能在高温、热震荡、振动以及不可预期的气流下持续运行,因此传统石英晶振应用于电信设备面临严峻的挑战。是否有新的技术能够满足电信设备新的需求?SiTime 的硅时钟进入用户的视线,这家公司从 2009 年到 2015 年的芯片出货量是 5 亿颗,预计到 2018 年会再出货 5 亿颗,累积达到 10 亿颗,目前全球有超过 1000 家系统厂商客户,在硅时钟市场的占有率达到 90%。

经过十年的研发,SiTime 近期推出了 Elite Platform,其中包含 Super-TCXO(温度补偿型振荡器)和多款振荡器。这些高精度器件可以用来解决电信与网络设备存在已久的时钟问题。即使在有环境压力的情况下,Elite Platform 仍有助于通信设备达到最优异的性能、可靠性及服务质量。

高可靠性:石英晶振的瓶颈,硅时钟的优势
时钟产品具有三个技术指标:频率稳定性、抖动和艾伦偏差。SiTime 凭借多年的技术研发,稳定度十年内提升了 250 倍,抖动问题十年内改善 800 倍,无线构架的艾伦偏差十年内提升 3 万倍。

图 1:稳定度技术指标

图 2:抖动技术指标

图 3:艾伦偏差技术指标

SiTime 公司的技术工程师还通过视频的方式向笔者展示了,同一电路板上同一环境条件,石英温补晶体输出和 Elite 超级温补振荡器输出的对比。


图 4:当温度发生变化时两者的参数变化对比图

图 5:受到敲击时两者的参数变化对比图

图 6:电源电压发生变化时两者的参数变化对比图

由此可以看出,Elite 超级温补振荡器的稳定度要远远高于英温补晶体的稳定度,这样的动态频率性能对 NSST(连网、服务器、存储与电信公司的缩写)来说相当重要,SiTime 首席执行官 Rajesh Vashist 解释,“由此可以看出,当遭遇气流、温度快速变化时 Elite 超级温补振荡器仍可维持性能;部署于立式高架、路边仍免受振动影响;支持 105℃ 温度的户外环境;电磁干扰(EMI)等噪声源的影响降至最低。”

DualMEMS 架构+TurboCompensation 技术:优异的动态性能
Elite 超级温补振荡器之所以能达到这样的高性能,要得益于 SiTime 在架构和技术方面的创新, Rajesh Vashist 指出,“Elite Platform 采用了 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 技术,因此实现了三大技术性能:第一,坚固耐用、可靠且经过验证的 TempFlat MEMS 能消除频率扰动(activity dip),振动免疫力也比石英高出 30 倍;第二,100%准确热耦合的 DualMEMS 温度检测,因此温度跟踪快了 40 倍,可确保气流与快速温度变化条件下的最佳性能;第三,高度集成的混合信号电路,搭配片上内置稳压器、时间至数字转换器(TDC)以及低噪声锁相环回路(PLL),对电源噪声的免疫力提高了 5 倍,温度分辨率达 30 uK,是石英 10 倍之多,且支持 1- 700 MHz 之间的所有频率。”


图 7:DualMEMS 架构+TurboCompensation 技术结构图

关于 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 技术,Rajesh Vashist 介绍,“从图中可以看出,DualMEMS 架构中配备了两个谐振器,一个作为真正的频率谐振器,一个作为温度传感器,因为两者在同一个位置,温度传感器可以快速检测温度变化,因此可以快速做温度补偿,工作频率 350Hz,补偿速度是传统石英晶体的 40 倍。除了温补性能的改善,我们还增加了针对系统工程师未来需要的功能,如将外部要加的电源管理器整合到 IC 内部,另外这款器件增加了 I2C 或者 SPI 串口,系统工程师可以通过串口直接做数字化编程。”

“基于以上的架构和技术,Elite 可满足基础设施市场对高精密频率技术的需求,如同步以太网络、光纤、小型基站、基站、电缆调制解调器终端系统与影音视频、智能电网、云端服务器、工业用 GPS 和仪器仪表等。” Rajesh Vashist 补充。

高可靠性使用户几乎无售后需求
对比英晶体根据频率设计,每一个规格都是从头开发、制作的过程,而 Sitime 的硅时钟是可编程的,在出货之前将频率、工作电压编写进去即可,设计弹性很高。而且硅时钟的可靠性要远高于石英晶体,从 2007 年到 2015 年的出货返修率来看,SiTime 每年的产品不良率只有百万分之一点五,而传统石英晶体的一线供应商产品不良率是百万分之五十,二线供应商的产品不良率是百万分之一百五。如此低的返修率,以至于当笔者问到 Sitime 的本土技术支持配比时,Rajesh Vashist 自信地解释,“MEMS 现场失效率为零,终身质保,因此我们在中国只有四个销售人员,也正是因为 SiTime 的产品返修率极低,因此几乎不需要进行技术支持。”


图 8:Elite Platform 样片

技术瓶颈让很多半导体厂商望而却步
频率器市场容量大概 60 亿美元,分三大类市场应用,包括石英水晶片占 35 亿美元,频率发生器占 15 亿美金,含 PCB 系统级的时钟系统占 10 亿美金。其中第一类需要配合石英加工厂,第二类如 SiliconLabs,IDT,MicroSemi 和 TI,他们的参考时钟源需要第一类厂商的晶体或者晶振来提供,而他们无法制造石英水晶片或者替代石英水晶片的产品,第三类,如 MicroSemi,除了做石英水晶片,还会做整个时钟模组。SiTime 的优势在于,它是目前唯一一家可以把市场上的三类应用进行整合的公司,原因是它的方案中不需要石英水晶片做为材料,用半导体硅谐振器取代石英厂商做频率器件的部分。目前着重于第一类产品应用,未来会进行频率发生器和双模组产品的开发。

基于 MEMS 的硅时钟解决方案优势凸显,发展前景良好,因此很多公司不惜花费人力物力开发,但是为什么目前只有 Sitime 推出了产品?Rajesh Vashist 指出,“这在于这项技术的难度,其实有好几家年营业额超过 5 亿美金的前沿公司研发这项技术,如 IDT、Siliconlabs、TI 等,他们或者自行研发,或者收购相关公司进行研发,但是都失败而终,唯有 SiTime 坚持了十年,最终推出了符合市场需求的产品,因此 SiTime 拿到了 90%的市场份额,未来或许会有更多公司想来分这个市场,但是 SiTime 会一直站在前沿进行产品研发。”

硅时钟会取代石英晶振?
通过参数对比,很多人可能会想到硅时钟是否会完全取代石英晶振呢?当然这对于 SiTime 来说是一个好消息,但是在教育市场的道路上还要继续走一段,Rajesh Vashist 坦言,“就成本而言,石英晶体的不良率要远高于硅时钟,因此总体而言硅时钟更具有成本优势。问题在于市场教育,工程师的对新技术尝试的意愿不高,敢于大胆尝试新技术的人还是少数,我们会继续研发匹配更多的应用领域的产品,更好地服务于系统客户。”

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