Super-TCXO 的崛起

作者：RICHARD COMERFORD，电子产品高级技术编辑

基于 MEMS 技术的新型温度补偿“晶体”振荡器或 TCXO 即将上市。它们被称为 Super-TCXO，是迄今为止可用的最小、最准确的低功耗/低频定时解决方案。它们意义重大的关键在于它们在低频范围内提供超小尺寸，范围从 1 Hz 到 1 MHz，包括基本的 32 kHz。虽然 Super-TCXO 主要用于提高系统中的计时精度，但它们也可以替代一个或多个基于石英的设备，并改善面积、组件成本和功率。 

当今的时钟需求

通常，TCXO 是一种温度补偿振荡器。与谐振器/晶体或时钟发生器相比，振荡器在一个设备中包含谐振器和振荡器电路（图 1）。今天，石英晶体在非常小的封装中不能提供低频，因此不适合使用低频时钟的小型电池供电产品。然而，迅速兴起的物联网 (IoT) 和可穿戴领域是精密 32 kHz 参考时钟的完美应用。例如，典型的可穿戴应用有一个很小的电池（通常 <300 mAHr）并且空间非常有限。低频 Super-TCXO 的其他应用包括工业物联网（智能电表、电表、照明、安全）、消费电子产品（健康和健康监视器、家庭自动化、便携式音频）和移动设备（平板电脑、电子阅读器和电话）。 

图 1：创建完整的振荡器或 TCXO 需要有源和无源器件。

小尺寸是基于 MEMS 的振荡器的固有优势。在石英晶体技术中，物理学规定频率越低，晶体谐振器越大。然而，MEMS 谐振器没有相同的限制。SiTime MEMS 谐振器的典型裸片尺寸为 0.4 x 0.4 mm，其质量是典型石英晶体谐振器的 1/3,000。由于 SiTime 的 MEMS 谐振器（参见“第一款 Super-TCXO”，对面）完全封装在硅中并在 CMOS 晶圆厂中制造，因此它们可以使用现代技术进行封装，包括晶圆级芯片级封装 (WLCSP)。  

超稳定 (±5 ppm) Super-TCXO 的一个关键优势是它能够比石英设备更精确地打开和关闭无线接口，从而最大限度地减少无线接口的开启时间，从而延长电池寿命。因此，Super-TCXO 可以承担各种计时功能，例如实时时钟 (RTC) 或音频子系统的参考，以及用于常见连接接口（例如蓝牙、低蓝牙）的所谓睡眠时钟能源或 BLE 和 WiFi）。

例如，可穿戴设备通常需要两个 32-kHz 参考时钟：一个用于 BT/BLE 芯片的睡眠时钟，一个用于 MCU/SOC 的 RTC。因为 Super-TCXO 是有源元件，它们可以轻松驱动两个负载——这是谐振器无法做到的。因此，一个 Super-TCXO 可以替代多个石英 XO 或 XTAL，减少物料清单 (BOM)，同时节省空间和成本。有源 TCXO 的高驱动能力还意味着它可以在空间受限的板上提供灵活的布局。

睡眠和准确性

睡眠时钟是当今低功耗便携式设备省电的关键，它是在系统其余部分空闲、休眠或关闭时运行的参考时钟。理想的睡眠时钟频率是 32 kHz，因为它消耗的功率最少，并且很容易以电子方式划分为一秒以达到计时目的。消耗最少的功率尤其重要，因为大多数系统都要求此参考时钟始终运行。需要驱动系统 RTC 以便跟踪时间，并且在包含无线连接的系统中，当无线子系统（例如蓝牙、BLE、WiFi ) 未运行。

拥有准确的睡眠时钟尤为重要。在连接状态期间，无线子系统在循环睡眠场景中运行以节省电力，定期唤醒以接收来自中央或主系统的 ping。为了在准确的时间唤醒，外围无线设备依赖于 32 kHz 睡眠时钟的准确性。由于主从睡眠时钟固有的不准确性，外围设备必须提前唤醒，以避免错过来自主设备的 ping。在这个早期的导通时间内，会消耗功率，从而导致功率损失。因此，使用高精度 Super-TCXO（±5 ppm，而传统石英晶体的 180 至 200 ppm）可以延长睡眠时间并显着节省系统功耗。

完整性

一个组件成为整体一部分的能力——如果你愿意的话，它的完整性能力——对于它在当今高度集成的电子产品中的应用至关重要。可穿戴、物联网和移动产品是推动小型化的应用示例，这在很大程度上是通过子系统的模块化来实现的。手机中的模块包括电源管理（PMU、μDC-DC转换器）、RF/FEM功率放大器、存储/SSD和连接（BLE、WLAN）模块；通过模块化，每个都可以缩小大约 35% 到 90% 的尺寸。  

因为它们由两个全硅芯片组成，采用芯片级封装，所以 Super-TCXO 可以包覆成型并集成到系统级封装 (SIP) 模块中。此外，具有系统内自动校准功能的 Super-TCXO 可以补偿在组装、回流、底部填充和/或包覆成型期间由板级应力引起的频率误差。

最初，Super-TCXO 在多个温度点上进行校准（修整），以通过有源温度校正电路确保在 –40°C 至 +85°C 范围内具有极高的稳定性。此外，在系统组装好并且印刷电路板准备好进行生产测试后，Super-TCXO 可以在最终系统测试期间自动校准。为此，Super-TCXO 应用了一个 GPS 规范的精密 10 MHz 时钟。它的时钟与精确的 10-MHz 时钟进行比较，从而消除了产生的误差。自动校准通常需要 2 到 5 秒，这与生产系统测试的其余部分同时进行。自动校准后，典型频率偏移小于±5 ppm。

第一个 Super-TXCO

第一个 Super-TCXO — SiTime ( www.sitime.com ) 的 SiT1566、SiT1568 和 SiT1576 32-kHz 振荡器 — 采用 1.5 x 0.8 x 0.6-mm 封装。这使它们的占地面积仅为 1.2 mm 2 — 比石英产品小 85% — 并使它们最薄 40%。此外，基于 MEMS 的振荡器使用 TempFlat MEMS 技术，使其能够在 –40°C 至 85°C 的工作范围内提供 ±5 ppm 的精度，从而实现天文台级计时和最长的电池寿命。其中一个器件 SiT1568 还提供创新的系统内自动校准功能，让客户能够消除在系统组装、回流、底部填充和包覆成型过程中由应力引起的时序误差。SiT1576 还可在 1 Hz 至 1 MHz 的范围内进行编程。

所有器件都具有可编程的温度感应更新率，在工业和移动应用中，在存在快速热梯度的情况下保持动态和整体稳定性。MEMS IC 可以驱动多个负载以减少所需的组件数量。第一年老化为 ±1.5 ppm（是石英器件的两倍），启动时间为 300 ms（快 65%），其抖动性能支持音频应用。

审核编辑 黄昊宇