SiTime：十年磨一劍，Elite Platform讓電信與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠

我們對傳統(tǒng)的石英晶振并不陌生，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開這款器件。但是石英晶振有不可避免的缺點，那就是在溫度或者工作電源電壓發(fā)生變化時精度不準，其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響很大。而對于電信設(shè)備來說，置身的環(huán)境各種各樣，溫度、濕度隨著季節(jié)、環(huán)境變化很大，因此需要時鐘元件必須能在高溫、熱震蕩、振動以及不可預(yù)期的氣流下持續(xù)運行，因此傳統(tǒng)石英晶振應(yīng)用于電信設(shè)備面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。是否有新的技術(shù)能夠滿足電信設(shè)備新的需求？SiTime 的硅時鐘進入用戶的視線，這家公司從 2009 年到 2015 年的芯片出貨量是 5 億顆，預(yù)計到 2018 年會再出貨 5 億顆，累積達到 10 億顆，目前全球有超過 1000 家系統(tǒng)廠商客戶，在硅時鐘市場的占有率達到 90%。

經(jīng)過十年的研發(fā)，SiTime 近期推出了 Elite Platform，其中包含 Super-TCXO（溫度補償型振蕩器）和多款振蕩器。這些高精度器件可以用來解決電信與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在已久的時鐘問題。即使在有環(huán)境壓力的情況下，Elite Platform 仍有助于通信設(shè)備達到最優(yōu)異的性能、可靠性及服務(wù)質(zhì)量。

高可靠性：石英晶振的瓶頸，硅時鐘的優(yōu)勢
時鐘產(chǎn)品具有三個技術(shù)指標：頻率穩(wěn)定性、抖動和艾倫偏差。SiTime 憑借多年的技術(shù)研發(fā)，穩(wěn)定度十年內(nèi)提升了 250 倍，抖動問題十年內(nèi)改善 800 倍，無線構(gòu)架的艾倫偏差十年內(nèi)提升 3 萬倍。

圖 1：穩(wěn)定度技術(shù)指標

圖 2：抖動技術(shù)指標

圖 3：艾倫偏差技術(shù)指標

SiTime 公司的技術(shù)工程師還通過視頻的方式向筆者展示了，同一電路板上同一環(huán)境條件，石英溫補晶體輸出和 Elite 超級溫補振蕩器輸出的對比。

圖 4：當(dāng)溫度發(fā)生變化時兩者的參數(shù)變化對比圖

圖 5：受到敲擊時兩者的參數(shù)變化對比圖

圖 6：電源電壓發(fā)生變化時兩者的參數(shù)變化對比圖

由此可以看出，Elite 超級溫補振蕩器的穩(wěn)定度要遠遠高于英溫補晶體的穩(wěn)定度，這樣的動態(tài)頻率性能對 NSST（連網(wǎng)、服務(wù)器、存儲與電信公司的縮寫）來說相當(dāng)重要，SiTime 首席執(zhí)行官 Rajesh Vashist 解釋，“由此可以看出，當(dāng)遭遇氣流、溫度快速變化時 Elite 超級溫補振蕩器仍可維持性能；部署于立式高架、路邊仍免受振動影響；支持 105℃ 溫度的戶外環(huán)境；電磁干擾(EMI)等噪聲源的影響降至最低?！?/p>

DualMEMS 架構(gòu)+TurboCompensation 技術(shù)：優(yōu)異的動態(tài)性能
Elite 超級溫補振蕩器之所以能達到這樣的高性能，要得益于 SiTime 在架構(gòu)和技術(shù)方面的創(chuàng)新， Rajesh Vashist 指出，“Elite Platform 采用了 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 技術(shù)，因此實現(xiàn)了三大技術(shù)性能：第一，堅固耐用、可靠且經(jīng)過驗證的 TempFlat MEMS 能消除頻率擾動（activity dip），振動免疫力也比石英高出 30 倍；第二，100%準確熱耦合的 DualMEMS 溫度檢測，因此溫度跟蹤快了 40 倍，可確保氣流與快速溫度變化條件下的最佳性能；第三，高度集成的混合信號電路，搭配片上內(nèi)置穩(wěn)壓器、時間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）以及低噪聲鎖相環(huán)回路（PLL），對電源噪聲的免疫力提高了 5 倍，溫度分辨率達 30 uK，是石英 10 倍之多，且支持 1- 700 MHz 之間的所有頻率?！?/p>

圖 7：DualMEMS 架構(gòu)+TurboCompensation 技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 技術(shù)，Rajesh Vashist 介紹，“從圖中可以看出，DualMEMS 架構(gòu)中配備了兩個諧振器，一個作為真正的頻率諧振器，一個作為溫度傳感器，因為兩者在同一個位置，溫度傳感器可以快速檢測溫度變化，因此可以快速做溫度補償，工作頻率 350Hz，補償速度是傳統(tǒng)石英晶體的 40 倍。除了溫補性能的改善，我們還增加了針對系統(tǒng)工程師未來需要的功能，如將外部要加的電源管理器整合到 IC 內(nèi)部，另外這款器件增加了 I2C 或者 SPI 串口，系統(tǒng)工程師可以通過串口直接做數(shù)字化編程?！?/p>

“基于以上的架構(gòu)和技術(shù)，Elite 可滿足基礎(chǔ)設(shè)施市場對高精密頻率技術(shù)的需求，如同步以太網(wǎng)絡(luò)、光纖、小型基站、基站、電纜調(diào)制解調(diào)器終端系統(tǒng)與影音視頻、智能電網(wǎng)、云端服務(wù)器、工業(yè)用 GPS 和儀器儀表等。” Rajesh Vashist 補充。

高可靠性使用戶幾乎無售后需求
對比英晶體根據(jù)頻率設(shè)計，每一個規(guī)格都是從頭開發(fā)、制作的過程，而 Sitime 的硅時鐘是可編程的，在出貨之前將頻率、工作電壓編寫進去即可，設(shè)計彈性很高。而且硅時鐘的可靠性要遠高于石英晶體，從 2007 年到 2015 年的出貨返修率來看，SiTime 每年的產(chǎn)品不良率只有百萬分之一點五，而傳統(tǒng)石英晶體的一線供應(yīng)商產(chǎn)品不良率是百萬分之五十，二線供應(yīng)商的產(chǎn)品不良率是百萬分之一百五。如此低的返修率，以至于當(dāng)筆者問到 Sitime 的本土技術(shù)支持配比時，Rajesh Vashist 自信地解釋，“MEMS 現(xiàn)場失效率為零，終身質(zhì)保，因此我們在中國只有四個銷售人員，也正是因為 SiTime 的產(chǎn)品返修率極低，因此幾乎不需要進行技術(shù)支持?！?/p>

圖 8：Elite Platform 樣片

技術(shù)瓶頸讓很多半導(dǎo)體廠商望而卻步
頻率器市場容量大概 60 億美元，分三大類市場應(yīng)用，包括石英水晶片占 35 億美元，頻率發(fā)生器占 15 億美金，含 PCB 系統(tǒng)級的時鐘系統(tǒng)占 10 億美金。其中第一類需要配合石英加工廠，第二類如 SiliconLabs，IDT，MicroSemi 和 TI，他們的參考時鐘源需要第一類廠商的晶體或者晶振來提供，而他們無法制造石英水晶片或者替代石英水晶片的產(chǎn)品，第三類，如 MicroSemi，除了做石英水晶片，還會做整個時鐘模組。SiTime 的優(yōu)勢在于，它是目前唯一一家可以把市場上的三類應(yīng)用進行整合的公司，原因是它的方案中不需要石英水晶片做為材料，用半導(dǎo)體硅諧振器取代石英廠商做頻率器件的部分。目前著重于第一類產(chǎn)品應(yīng)用，未來會進行頻率發(fā)生器和雙模組產(chǎn)品的開發(fā)。

基于 MEMS 的硅時鐘解決方案優(yōu)勢凸顯，發(fā)展前景良好，因此很多公司不惜花費人力物力開發(fā)，但是為什么目前只有 Sitime 推出了產(chǎn)品？Rajesh Vashist 指出，“這在于這項技術(shù)的難度，其實有好幾家年營業(yè)額超過 5 億美金的前沿公司研發(fā)這項技術(shù)，如 IDT、Siliconlabs、TI 等，他們或者自行研發(fā)，或者收購相關(guān)公司進行研發(fā)，但是都失敗而終，唯有 SiTime 堅持了十年，最終推出了符合市場需求的產(chǎn)品，因此 SiTime 拿到了 90%的市場份額，未來或許會有更多公司想來分這個市場，但是 SiTime 會一直站在前沿進行產(chǎn)品研發(fā)?！?/p>

硅時鐘會取代石英晶振？
通過參數(shù)對比，很多人可能會想到硅時鐘是否會完全取代石英晶振呢？當(dāng)然這對于 SiTime 來說是一個好消息，但是在教育市場的道路上還要繼續(xù)走一段，Rajesh Vashist 坦言，“就成本而言，石英晶體的不良率要遠高于硅時鐘，因此總體而言硅時鐘更具有成本優(yōu)勢。問題在于市場教育，工程師的對新技術(shù)嘗試的意愿不高，敢于大膽嘗試新技術(shù)的人還是少數(shù)，我們會繼續(xù)研發(fā)匹配更多的應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品，更好地服務(wù)于系統(tǒng)客戶。”

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