技术快速演进 三类振荡器谁将胜出

西安电子科技大学微电子学院 辛维平博士

振荡器(oscillator)是用来产生重复电子信号(通常是正弦波或方波)的电子电路，其能将直流电信号转换为具有一定频率的交流电信号。我们在数据通信、定位、导航、电信、无线、视频、测量等几乎所有的电子系统中都可以发现它的身影。

石英晶体振荡器仍是主流

石英晶体由于具有非凡的机械和压电特性而一直被作为基本的时钟器件材料，尤其是在精确频率源产品中占据主导地位。石英晶体振荡器一般由石英晶体谐振器和外部电路组成。

石英晶体振荡器电路的核心部分是谐振器，如果给谐振器加上电压，它就会产生机械振荡；反之，如果给谐振器施加机械力，它又会产生电流(陶瓷谐振器与晶体谐振器的谐振原理相同，只是精度稍低)。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，并且它的几何尺寸可以被严格控制，因此，其谐振频率的准确性很高。典型石英晶体振荡器的精确度可以做到PPM(10-9)级，而陶瓷的精确度可以做到千分之几。

然而，石英晶体振荡器的缺点也非常显著。首先，它们的振荡是机械振荡，这样，如果存在外力冲击或者温度及湿度的变化，它们的输出频率和相位就会出现误差，严重时石英晶体振荡器可能被损坏。其次，因为这些组件依靠具有匹配驱动器的调谐电路，所以它们并不总是按计划那样启动，或者不以预期频率振荡。即使是同一个器件，在不同加电周期下启动情形也可能不同。再次，石英晶体振荡器有裸露在外的高阻抗节点，所以易受电磁干扰。此外，石英晶体振荡器一种封装只对应一种频率。针对特定的频率，用户需要提前向厂商订货，而一般交货期会长达十几周之久。最重要的是，石英晶振的价格较高。

由于上述原因，尽管石英晶体振荡器存在于所有的电子产品中，但因为它的缺点很多，如价格昂贵、尺寸大、比硅产品可靠性低且通常由客户定制，制造时间长，与CMOS不兼容，而且一种封装只能对应一种频率等等，所以在过去30多年间，业界一直在探索石英晶体振荡器的替代产品。

硅振荡器大批量市场优势大

硅振荡器是全部采用CMOS集成电路(硅片)制成的。其并不依赖于机械共振特性来获得振荡频率，而是基于一个内部的RC(电阻电容乘积)时间常数。这样的设计使得硅器件对于外部机械作用不敏感，本身不受冲击和震动的影响，也没有磨损问题。而且，与传统振荡器不同的是，它没有裸露在外的高阻抗节点，这样它可以承受更大的湿度和EMI(电磁干扰)。此外，硅振荡器启动情形一致并且快速。

硅振荡器的不足之处是其品质因数Q值不如石英晶体振荡器高，所产生的噪声要比晶体高，振荡频率的准确度也比石英晶体振荡器低。但是，硅振荡器所占的外围空间较小，而且不需要定时元件，外部元件只需要一个电源退耦电容。对大多数微控制器的时钟要求而言，硅振荡器是一种简单而有效的解决方案，交货时间减少到了约两周。

MEMS振荡器满足高精度需求

CMOS硅振荡器在精度要求较低的振荡器市场拥有无与伦比的优势，那么在高精度振荡器领域有没有可以替代石英晶体振荡器的产品呢？硅MEMS振荡器就是在这种需求下被开发出来的。

目前市场上主流MEMS振荡器制造商是SiTime与Discera。它们的CMOSMEMS振荡器技术分别是SiTime的MEMSFirst和Discera的EpisealCMOS技术。

MEMSFirst制造工艺技术是在8英寸的SOI(硅绝缘层)晶圆上，采用深度离子蚀刻技术生成极细小且坚硬的机械结构，从而制成谐振器。在实际工作时，这些硅谐振器会受到电子信号的引导，在晶圆表面水平方向产生振动。然后，利用EpiSealCMOS技术，将硅谐振器在高温状况下封装于CMOS硅晶层之下。EpiSealCMOS技术容许SiTime振荡器舍弃传统的陶瓷封装并使用任何的标准IC封装技术。Discera公司的PureSilicon谐振器技术是拥有专利的基础性技术。基于PureSilicon的CMOS振荡器能够集成进其他基于CMOS的电路中。此外，Discera公司的封装技术是可以利用符合工业标准的低成本塑模封装技术，这样该技术可以提供最小的振荡器器件。

总体来说，随着CMOS硅振荡器价格的进一步降低，它将逐步打开谐振器市场。在消费电子领域，CMOS硅振荡器将得到广泛应用。而在高精度时钟应用领域，硅MEMS振荡器将可能成为石英晶体振荡器的替代者。如果它的性价比能够进一步提高，它也将在消费电子领域占有一席之地。