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日本垄断60年的器件,为何被拉下神坛!

2017年08月15日 07:14 次阅读

引言:随着封装技术的成熟,精度的不断提升以及价格的进一步降低,MEMS振荡器逐步打开市场;特别是在汽车及消费电子等领域,MEMS振荡器将会得到广泛应用,成为石英晶振的有力挑战者。

晶体振荡器,习惯称做晶振,是电子产品最常用的组件,小到手机、电脑,大到汽车、飞机、导弹、卫星都需要晶体振荡器,其被誉为电子设备的心脏,在电子系统中扮演关键角色。

传统石英振荡器自诞生之日起,已经统治频率控制器件近60年。近几年,由于整个晶体振荡器市场竞争激烈,价格下滑,其营收额增长幅度十分有限,2014年全球晶体振荡器市场营收为21.5亿美元,预计2015年到2020将年复合增长5%,2020达到30亿美元。

日本垄断60年的器件,为何被拉下神坛!

数据来源:电子发烧友产业分析师整理预测

十几年前,随着第一颗硅MEMS振荡器的量产,晶体振荡器局势逐渐注入新元素。石英振荡器受传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断,性价比无法进一步提升。而硅MEMS振荡器体积更小、更可靠、功耗更低,近年来随着封装技术的成熟,其生产成本更是不断降低。

MEMS振荡器已在许多应用领域包括计算机周边相关产品、消费电子、网通设备、通讯装置、车用电子、以及工业产品等,开始逐渐取代传统固定频率或可编程输出的石英振荡器。

根据调研机构的分析数据,2014年全球MEMS振荡器市场规模约为1.65亿美元,预计到2020年市场规模将达15亿美元,MEMS振荡器的年复合增长率将超过50%,成为时钟市场增长的主要推动力。

日本垄断60年的器件,为何被拉下神坛!

数据来源:电子发烧友产业分析师整理预测

不可忽视的晶体振荡器发展趋势

1、小型化、薄片化和片式化。为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求,石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30~100倍。采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm。

2、高精度与高稳定度。无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm,VCXO的频率稳定度在10~7℃范围内一般可达±20~100ppm,而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001~5ppm,VCXO控制在±25ppm以下。

3、低噪声,高频化。在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。OCXO主流的产品相位噪声性能有很大改善。除 VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为 650~1700MHz,电源电压2.2~3.3V,工作电流8~10mA。

4、低功耗,快速启动,低电压工作, 低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。许多TCXO和VCXO产品,电流损耗不超过2mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO,在±0.1ppm规定值范围条件下,频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的 SMD TCXO,在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。在预热5分钟后,则能达到±0.01ppm的稳定度。

与传统石英晶振相比,全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上,都更符合现代电子产品的标准,也是对传统石英产品的升级换代。

日本垄断60年的器件,为何被拉下神坛!

如上图示,MEMS振荡器是由两颗芯片组成;一个是全硅MEMS谐振器,另一个是具温补功能之启动电路暨锁相环CMOS芯片;利用标准半导体芯片MCM封装方式完成。

MEMS振荡器优势

1.制程采用全自动化标准半导体制造流程;与生产在线人工素质无关。与所有电子产品设计中所使用的IC一样,具备优良的稳定性以及质量,不易在生产过程中出现人为失误。

2.支持频率、精度、电压可编程,可满足客户不同规格组合的晶振需求。支持所有业界标准封装(7050、5032、3225、2520),无需改动PCB板,管脚完全兼容。而且所有规格产品交货期仅需2-4周。

3.封装无密封问题,标准MCM封装,防震性达石英产品的25倍,出货不良率低于1dppm。

4.振荡器内部起振锁相环芯片,具备温补功能;频率精度相对于温度的变化为线性关系,规格所标示的频率精度涵盖震动频偏、温度频偏、老化频偏等。

5.产品质量一致性乃透过设计阶段完成。与石英产品在量产阶段控制质量之制造控管方式不同,系统厂商无须担心来料与量产样品认证之不一致性。

日本垄断60年的器件,为何被拉下神坛!

MEMS振荡器从设计和工艺的角度完全杜绝了传统石英晶振生产工艺中引起的电路不起振、停振、气密性问题、一致性差等一系列品质问题,抗震可达50000G,彻底消除了设计人员担心小封装的成本和供货的顾虑。 MEMS振荡器将大大降低采购的风险,降低返修率,减少产品的维护的成本。

MEMS振荡器的挑战

从晶体振荡器技术三要素:频?、?确?、尺寸大小的橫向比较看,在频?发展上以欧美厂商见长,由于其对无线通讯技术的领先发展,使其在设计、开发上具很强能?,但在生产效?上较低。而日本厂商居技术领导地位,在?确?、尺寸大小上具有非常好的产品改?能?,同时能够将其进一步予以量产、自动化生产。我国台湾厂商,大?是直接购买原?配方、机器设备或直接购买制程,产品上市时间讲求迅速,已逐步透过设备、制程能?的改善,将技术內化成自身能?并予以提升。中国大陆生产的晶体振荡器以低附加值的低端产品为主,而高附加值的高端产品很少。

同许多其他MEMS器件类似,虽然看似前景广阔,但前进的道路曲折,一路困难重重,MEMS振荡器行业也一直面临很大的挑战。

近年来,由于全球经济复苏缓慢,终端需求疲弱,再加上竞争激烈导致价格不断下滑,传统晶体振荡器厂商营收普遍差强人意;在市场需求不佳和产品竞争日益加剧下,盈利能力下降。同样MEMS振荡器要代替石英晶体振荡器,其价格下跌也无法阻止。没有足够的利润支撑,MEMS振荡器厂商纷纷被并购或放弃该产品。

最早商用化的MEMS振荡器由Discera(现属于Microchip)于2003年所提出,之后,包括SiTIme(现属于MegaChips)、Silicon Clocks(现属于Silicon lab)、IDT等业者陆续推出相关产品。时至今日,SiTIme以超90%的市场绝对占有率,引领着全球电子厂商全面从石英晶振转向全硅MEMS振荡器。其他几家逐渐式微甚至销声匿迹了。

虽然SiTIme被MegaChips公司收购,但收购后业务未受影响。SiTIme目前成为MEMS振荡器的霸主,该领域专利数达100项,筑起了相当的技术壁垒。

为了快速提高MEMS振荡器的市场渗透率,并解決客户心中供货来源太过集中的疑虑,SiTime也在与传统晶体振荡器厂商如Abracon、深圳扬兴科技等展开合作,授权生产MEMS振荡器。

小结:凭借着优异的性能,SiTime MEMS振荡器将会改变传统晶振产业,提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加稳定的晶振产品。

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小白必看!MEMS时钟振荡器在射频系统中的经典应...

结合了MEMS和高分辨率锁相环电路的DCXO,能支持最小量化噪声设计的高速数字锁相环路和不受频率牵引...

发表于 2017-04-27 10:35 536次阅读
小白必看!MEMS时钟振荡器在射频系统中的经典应...

石英振荡电路的组成与设计,石英晶振内部电路分析说...

石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO...

发表于 2017-04-25 09:40 1701次阅读
石英振荡电路的组成与设计,石英晶振内部电路分析说...

制作一个基于STC15W4K48S4设计手机控制...

任何发射机或接收机都需要一个源。这个源可以是RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器、锁相环频率合成器或D...

发表于 2017-04-21 14:10 584次阅读
制作一个基于STC15W4K48S4设计手机控制...

高保真立体声数码频率合成发射机电路设计(极简版)

 锁相频率合成器集合晶体振荡器及LC振荡器的优点,其独特性能可使压控振荡器(以下简称VCO)在相当宽...

发表于 2017-04-19 08:31 5096次阅读
高保真立体声数码频率合成发射机电路设计(极简版)

简单且实用的电梯停电报警电路(附电路图)

对电池充电时230V交流电源经变压器X1降压,二极管D1、D2整流,集成块IC4(LM7806)稳压...

发表于 2017-04-18 16:18 1689次阅读
简单且实用的电梯停电报警电路(附电路图)

智能电网增长趋势将持续,任重而道远!

未来的智能电表要求不仅是 可以在控制结算中心对电表实施远程管理、控制收费,而且还能够显示电力信息、气...

发表于 2017-01-03 16:56 458次阅读
智能电网增长趋势将持续,任重而道远!

MEMS振荡器会一统晶振江湖?

随着封装技术的成熟,精度的不断提升以及价格的进一步降低,MEMS振荡器逐步打开市场;特别是在消费电子...

发表于 2016-11-08 18:07 1179次阅读
MEMS振荡器会一统晶振江湖?

Microchip 推出业内集最小型封装和超低功...

全球领先的整合单片机、混合信号、模拟器件和闪存专利解决方案的供应商——Microchip Techn...

发表于 2016-09-27 13:47 225次阅读
Microchip 推出业内集最小型封装和超低功...

振荡器自生振荡分析之反馈理论与barkhause...

由放大器的基础知识可以知道,放大器本身的输出在高频时相移太大会使整个反馈成了正的,那么振荡就会产生。...

发表于 2016-09-06 16:23 1192次阅读
振荡器自生振荡分析之反馈理论与barkhause...

引市场潮流:振荡器突飞猛进领

今年的振荡器市场虽略显供大于求,但总体上产品的价格变化不大,基本保持稳中有降的态势,市场竞争集中体现...

发表于 2016-08-17 18:53 332次阅读
引市场潮流:振荡器突飞猛进领

安立公司发布信号分析仪MS2840A系列:更新频...

信号分析仪MS2840A是用于研发和制造无线设备和装置的频谱分析仪。该系列有四种型号,测量频率范围为...

发表于 2016-07-06 16:42 262次阅读
安立公司发布信号分析仪MS2840A系列:更新频...

Mouser应用与技术子网站再进化 定时技术成新...

贸泽电子 (Mouser Electronics) 宣布推出全新定时技术子网页,工程师可轻松掌握定时...

发表于 2016-06-30 10:40 243次阅读
Mouser应用与技术子网站再进化 定时技术成新...

数字电子时钟电路图设计原理

石英晶体振荡器和六级十分频器组成标准秒发生电路。其中“非”门用作整形以进一步改善输出波形。

发表于 2016-06-02 11:09 7963次阅读
数字电子时钟电路图设计原理

25mHZ石英晶体振荡器电路图

本文主要为25mHZ石英晶体振荡器电路图,并对其进行了分析说明:

发表于 2016-05-24 11:46 2981次阅读
25mHZ石英晶体振荡器电路图

赫联荣获“2015年度华强电子网优质供应商”奖项

3月29日,随着2015年度华强电子网优质供应商颁奖盛典在深圳隆重落幕,备受行业瞩目的2015年度华...

发表于 2016-04-01 18:22 289次阅读
赫联荣获“2015年度华强电子网优质供应商”奖项

TI推出业内最高性能宽频带RF锁相环并集成了压控...

近日,德州仪器(TI)日推出了业内具有集成压控振荡器(VCO)的最高性能锁相环(PLLs)。凭借其业...

发表于 2016-03-01 17:37 521次阅读
TI推出业内最高性能宽频带RF锁相环并集成了压控...

浅谈晶振选择的那些事

  硅与MEMS振荡器正在加入到高度分化的振荡器市场中石英晶体与陶瓷谐振器的行列。选择正确的应用器件...

发表于 2016-01-07 09:50 3290次阅读
浅谈晶振选择的那些事

超宽带PLL/VCO替代YIG调谐振荡器硅片

RF和微波仪器(比如信号和网络分析仪)需使用宽带扫频信号来进行大多数基本测量。##可以想到的是,在同...

发表于 2015-12-01 11:34 1814次阅读
超宽带PLL/VCO替代YIG调谐振荡器硅片

集成晶体的可编程时钟可提供多种设计优势而无性能折...

除了少数罕见的特例以外,几乎所有的电子系统都至少拥有一个时钟功能,这已经不是新闻。在大多数情况下,该...

发表于 2015-08-17 09:43 252次阅读
集成晶体的可编程时钟可提供多种设计优势而无性能折...

深入了解差动放大器电路设计原理 —电路图天天读(...

经典的四电阻差动放大器似乎很简单,但其在电路中的性能不佳。本文从实际生产设计出发,讨论了分立式电阻、...

发表于 2015-03-10 16:34 4638次阅读
深入了解差动放大器电路设计原理 —电路图天天读(...

放大器电路设计方案精选

模拟设计是电路设计中至关重要的一环。本文汇集2014年以来,EDN China杂志发表的一些放大器、...

发表于 2015-02-06 10:32 4060次阅读
放大器电路设计方案精选

反激式开关电源低电压下点亮HBLED灯

本设计实例展示的是一种利用单节1.5V电池驱动小功率电子电路的方法。它基于一种自激振荡器设计,该自激...

发表于 2015-01-27 15:01 824次阅读
反激式开关电源低电压下点亮HBLED灯

ECS公司时钟解决方案组合增添三款超小型石英晶体...

设计和制造硅基频率控制产品的全球创新领导厂商ECS Inc. International宣布其市场领...

发表于 2015-01-12 10:25 334次阅读
ECS公司时钟解决方案组合增添三款超小型石英晶体...

音频治疗仪电路模块设计

图为音频治疗仪的电路原理。晶体管VT1与R、C移相电路组成正弦波振荡器,振荡频率在2kHz左右(此频...

发表于 2014-12-05 15:04 1233次阅读
音频治疗仪电路模块设计

直流12V转交流100V逆变器电源电路设计

该逆变器使用功率场效应晶体管作为逆变器装置。用汽车电池供电。因此,在输入电压为12伏直流电。输出电压...

发表于 2014-11-27 16:33 5566次阅读
直流12V转交流100V逆变器电源电路设计

采用ISL1208精密时钟应用电路设计

ISL1208是Intersil公司的一款低功耗实时时钟集成电路,为用户提供了 2个字节的静态存储器...

发表于 2014-11-25 16:51 2100次阅读
采用ISL1208精密时钟应用电路设计

小区智能电子防盗系统电路设计

图是采用MAX912构成具有温度补偿的电子防盗系统电路,其中用门头锁(或200cm2敷铜板)作为电容...

发表于 2014-11-13 11:14 732次阅读
小区智能电子防盗系统电路设计

用作直流偏置交流源的双T型功率振荡电路设计

交流测试设备通常需要一种低失真的信号源作待测设备的激励。常见的办法是用一台信号发生器,产生一个低失真...

发表于 2014-11-11 09:45 951次阅读
用作直流偏置交流源的双T型功率振荡电路设计

基于单片机红外通讯电路设计

本文介绍的电路,原是在分时电度表中,用于校时和抄表的实际电路。 它既简单又实用。利用单片机异步通讯口...

发表于 2014-11-10 11:30 7282次阅读
基于单片机红外通讯电路设计

汽车发动机转速表电路设计

本例介绍的汽车发动机转速表,以单结晶体管和集成运算放大器为主要元器件制作而成,

发表于 2014-11-04 14:36 6946次阅读
汽车发动机转速表电路设计

无线发射与接收智能监控报警电路模块

本报警电路可用于红外线监控库房、金库等场合,当发现有人闯入禁止区时,红外接收电路自动启动无线发射机,...

发表于 2014-10-30 10:36 1793次阅读
无线发射与接收智能监控报警电路模块

运用于核磁共振的边限振荡器电路设计

核磁共振成像采用先进的电子计算机断层成像技术,形成核磁共振计算机体层摄影,核磁共振成像的基本原理就是...

发表于 2014-10-21 11:13 1365次阅读
运用于核磁共振的边限振荡器电路设计