MEMS振盪器大顯身手 　Small Cell環境干擾問題免驚

由於行動服務需求毫無衰退跡象且頻寬增加，持續帶動都會環境中網路密致化(Densification)的相關需求。而小型基地台的建置，正有助於解決這類快速成長的需求。正如名稱所示，小型基地台是一種尺寸較小的低功耗基地台，輸出功率在0.2W到10W之間，覆蓋範圍從幾十公尺到二公里遠。根據小型基地台論壇(Small Cell Forum)統計，截至2016年5月全球已部署1,400萬個小型基地台，2017年出貨量可望超過500萬台，其中又由中國移動打頭陣，預料投標量將達到100萬台。由於毫米波頻範圍較短，小型基地台也將在5G服務推出時扮演重要角色。 

在戶外部署小型基地台會面臨幾項特殊挑戰，最明顯的因素包括直接暴露在各種氣候下，例如極端溫度和快速的溫度變化，還有火車、風、重型車輛等所引發的振動瞬態。最先進的MEMS振盪器技術，最適合用來解決這類戶外部署所遭遇的挑戰。 

石英/MEMS振盪器歷史輪替時代來臨 

過去75年以來，電子業一直使用石英振盪器來滿足精確度需求在百萬分之一水準的應用，它有一些與生俱來的缺點但還是很好用。因為石英有其缺點，加上矽生產架構的規模經濟較大，全矽製造的MEMS時脈裝置已開始取代石英振盪器。2006年全球首款MEMS振盪器問世，不但在防撞與防震方面展現了卓越效能，特定溫度下也不會突然出現跳頻現象(頻率擾動和微弱跳動)。MEMS振盪器推出至今技術已大幅提升，溫度補償與鎖相迴路(PLL)均有所提升以減少抖動及相位噪音。 

最新的MEMS時脈技術不但能提供低噪音/低抖動時脈，對撞擊、振動、氣流與快速溫度瞬態等環境壓力也具有良好的復原力。這樣的效能，可讓各種應用更加可靠、效能更高，其中當然也包括小型基地台。 

MEMS可靠度 

在MEMS諧振器的設計方面，設計人員可以完全掌控諧振器的側向形狀，藉此控制諧振模式。MEMS諧振器的設計，主要是為了避免寄生波模(Spurious Mode)穿過主要模態(Fundamental Mode)，這樣諧振器才不會造成頻率擾動。 

MEMS的結構裡包含了一個純矽的單一機械結構。抗拉強度為7GPa，是鈦(330-500MPs)的14倍。振動時振諧器在兩個側邊之間移動，幅度不到間隙長度的1%。需要1百萬g以上的加速度才能讓振諧器觸碰到側邊，這裡的1g=9.8公尺/平方秒，也就是海平面上的重力加速度。 

在MEMS的製造過程中，會使用Epi-Seal製程來清潔振諧器，同時將其完全密封在真空中，藉此消除老化機制。這種製程是MEMS振盪器之所以可以達成極高可靠度的基礎。MEMS振盪器累積出貨量已超過6.25億個，因為MEMS振諧器所造成的現場故障率(Field Failure)卻等於零。從圖1可以看出MEMS振諧器比石英產品更具可靠度優勢，每百萬中不良品數量(DPPM)比一級石英供應商少30倍。 

圖1 比較MEMS振盪器與一級、二級石英供應商的每百萬中不良品數量(DPPM)

資料來源：SiTime與顧客資料

對任何一種設計來說，可靠度都是一個重要的考量因素，對部署在戶外的設備尤其重要。可靠度更高，不但能提升服務品質，也可降低維護成本與整體擁有成本(TCO)。 

震動效能 

MEMS振盪器更能抵抗撞擊、震動等各種環境壓力。振諧器的質量比石英振諧器大約低了1,000到3,000倍。這意味當MEMS結構承受衝擊或震動等各種不同程度的加速度時，所造成力道會遠低於同等級石英裝置，所產生的頻率位移也會更低。圖2比較了MEMS振諧器與石英振諧器的結構與尺寸。 

圖2 比較石英與MEMS振盪器的結構

圖3則比較了MEMS溫度補償振盪器(Super-TCXO)以及同等級產品中最高階的石英TCXO的相位噪音，從中可看出MEMS結構的好處之一。隨機振動級數為7.5g均方根(rms)，頻段為15Hz到2kHz。在這樣的振動頻段下，MEMS TCXO的相位噪音低了大約20倍，對於必須面臨這類環境壓力的系統來說是很大的優勢。在有振動壓力的情況下還能維持良好的相位噪音效能，對於小型基地台來說是非常重要的，這樣才能消除通話中斷的情況，維持高資料傳輸量。 

圖3 隨機振動下的相位噪音，輸出頻率為20MHz

另一個測量震動敏感度的單位，就是外加每單位g正弦波加速度時所產生的頻率位移。最常用的單位是每單位g加速度所產生的十億分之一(ppb)頻率位移，也就是ppb/g。在圖4比較了MEMS TCXO振盪器與四種不同石英TXCO的正弦波震動敏感度。如圖4所示，MEMS的震動敏感度低了15到150倍，隨振動頻率而有所不同。 

圖4 4g加速度下的震動敏感度(ppb/g)(MEMS振盪器=SiT5376)

DualMEMS振盪器技術 

從初代產品開發至今，防振性與可靠度一直是MEMS振盪器固有的優勢。近年來各種科技進展，尤其是採用SiTime Elite Platform MEMS振盪器系列產品的雙MEMS架構，都讓MEMS振盪器具備更多優勢，像是面對溫度變化及低相位噪音時的復原能力。在以數字說明這些優點之前，為協助讀者了解，本文將概略介紹Elite Platform技術與架構，並解釋這些優點如何形成。 

圖5為DualMEMS振盪器架構圖解。圖左是諧振器和溫度感測器，其中包含兩個MEMS。其中一個振諧器用來當作溫度感測器，利用其頻率相對於溫度斜率達-7ppm/C，屬於相對陡峭但呈線性的特性。這個振諧器名為TempSense振諧器。另一個振諧器則能為下游鎖相迴路提供參考時脈，是為了讓頻率相對於溫度斜率相對平穩而設計，名為TempFlat振諧器。TF(TempFlat)和TS(TempSense)兩種振諧器頻率比能準確提供振諧器溫度的讀數，溫度分辨率達30-μK。另一大特色則是TF與TS振諧器之間緊密的熱耦合傳導，這是因為它們間隔僅100微米(Micron)而且位於同一個基板上。這樣的結構讓TF與TS振諧器之間幾乎沒有熱延遲的問題。模擬實驗結果顯示，出現熱流時TF與TS振諧器的溫度偏置只有52 milliKelvin(moK)。 

圖5 Elite Platform DualMEMS圖解

相較之下，石英TCXO的溫度感測器則是整合到IC晶片上，如圖6所示，在陶瓷封裝基板上它是位於石英振諧器的下方。溫度感測器與石英振盪器結構裡振諧器的間隔，造成兩個零件之間的熱延遲，因此在急速熱瞬態下會造成極大的頻率誤差。本文將以量化數據探討石英與MEMS產品對急速熱瞬態的反應。 

圖6 比較MEMS振盪器與石英振盪器的結構

溫度補償架構另一個重要的元素就是溫度至數位轉換器(TDC)。如圖7所示，這種電路板所產生的輸出頻率，和TF振諧器及TS振諧器所產生頻率的比率成正比。溫度至數位轉換器的溫度分辨率為30 micro-Kelvin(μoK)，頻寬最高達350Hz。拜這些特色之賜，就能達到接近電信級的優異相位噪音效能與艾倫偏差效能。艾倫偏差可用來測量低頻抖動和漂移(艾倫偏差<10-10，1秒平均時間)。更精確來講，艾倫偏差是一種二樣本偏差，專門針對持續測量的分頻值。它能把特定時間間隔(稱為平均時間)下平均頻率的改變加以量化(Tau)，而且能以圖表的形式呈現，或做成對比於平均時間的線圖。對於應用在網路連線的TCXO，優秀的艾倫偏差效能特別重要。 

圖7 溫度至數位轉換器

溫度至數位轉換器頻寬較高，加上TF與TS振諧器之間緊密的熱耦合傳導，讓TCXO在面臨快速溫度瞬態時，頻率誤差可以達到最低水準。 

 快速熱瞬態下頻率響應

從圖8的影片螢幕截圖，可以看出DualMEMS架構在快速熱瞬態下的優點。截圖當時是以一具熱風器同時對準兩個裝置：包括一個Elite MEMS Super-TCXO和一個由頂級石英廠商所生產的±50ppb電信級TCXO。受到熱風器的刺激，石英TCXO的反應是標稱溫度出現最高450ppb的偏差，為產品規格的九倍。MEMS Super-TXCO則幾乎沒有出現頻率的變化，且遠遠低於100ppb的規格極限。快速溫度瞬態下的復原能力，對於小型基地台的效能，還有環境狀況快速變化下的服務品質來說都十分重要。 

圖8 以螢幕截圖比較溫度快速上升時±50ppb電信級石英TCXO與MEMS Super-TCXO的表現

鎖相迴路效能 

分數鎖相迴路(Fractional-N PLL)是另一個關鍵架構元素。鎖相迴路乘以TF振諧器的參考時脈，加上輸出分離器，就能產生期望的輸出頻率。鎖相迴路，還有溫度至數位轉換器，對振盪器輸出的整體相位噪音來說非常重要。鎖相迴路是針對高品質因數(Q)的電壓控制式振盪器所設計，以便將可能會顯示為輸出雜波的相位噪音和晶載串音減至最低。鎖相迴路裡的分數式反饋分離器，利用了三角波調變的技巧來提供非常細微的頻率解析度，此外還利用噪音整型技術，將相關頻段裡的雜波和隨機噪音減至最少。 

氣流 

氣流是另一種會造成頻率改變的系統壓力源，對戶外小型基地台是一種潛在的壓力因素。熱氣流出振盪器時所產生的熱流變化，可能導致核心溫度變化。又快又強的氣流，對於從振盪器流向四周環境的熱流影響甚至更大，在一些比較極端的案例中，甚至可能造成振動效果。圖9以圖表呈現氣流平均時間為1到1,000秒時艾倫偏差(ADEV)的變化。如圖所示，當平均時間在1到10秒間，MEMS振盪器的艾倫偏差效能最高可提升38倍。 

圖9 比較MEMS與石英振盪器遭遇氣流時的艾倫偏差

艾倫偏差是測量頻率穩定性的時域單位。相較於標準差(Standard Deviation)，它的主要優點在於能和大部分類型的噪音融合，因此被廣泛利用在振盪器頻率穩定性的特徵化。良好的艾倫偏差效能，對於電信等級TCXO以及Elite Platform MEMS振盪器在此一效能度量上是否能夠勝出一事，尤其重要。 

電源供應噪音排除 

除了震動、環境溫度變化與氣流改變等外部環境壓力，內部系統也常存在壓力。舉例來說，電源供應噪音可能來自鄰近資料傳輸線與交換調整器的串音。對振盪器來說很重要的一件事，就是當電源接腳出現噪音時還能維持良好的相位噪音及抖動效能，如此一來才能維持優越的系統效能。電源供應噪音排除是測量振盪器遇到電源供應噪音時復原能力的一種工具，其實就是以皮秒為單位輸出時所觀察到的抖動，除以電源接腳上注入抖動的振幅(以毫伏特為單位)。一般來說，注入電源接腳的正弦抖動振幅為50毫伏特(mV)。圖10比較了MEMS振盪器與6家不同石英廠商所生產的振盪器，在20kHz到40MHz噪音範圍下的峰間抖動結果。 

圖10 比較MEMS與石英振盪器的電源供應噪音排除效能

如圖中所示，MEMS振盪器在電源供應噪音排除上的表現較佳。MEMS裝置能展現低抖動特性，是因為採用了好幾個晶載低壓差線性穩壓器(LDO)，能將壓控振盪器、MEMS振盪器等重要元件隔離開來。 

提升相位噪音/頻率穩定度　 解決Small Cell時脈挑戰 

過去10年來MEMS振盪器技術已有長足進步。這些進展包含構成高效能振盪器的各種關鍵要素：振諧器、溫度補償電路設計、鎖相迴路，以及用來過濾噪音的晶載電壓調節器。除了固有的防撞擊、防震優勢，最先進的MEMS時脈技術還能提供同等級產品中最佳的動態效能(面對系統與環境壓力的復原能力)，因此很適合用來解決部署戶外小型基地台時會遭遇到的問題。圖11簡介了現有MEMS振盪器相較於石英振盪器的優勢。 

圖11 比較MEMS振盪器與石英振盪器的優勢

在可預見的未來裡，將有更多資金投入MEMS振盪器技術的精進，最終目的是提升相位噪音與頻率穩定度，讓MEMS時脈成為未來數十年最佳的解決方案選項。 

(本文作者為SiTime客戶工程總監)