由于毫米波頻范圍較短，小型基地臺(tái)將在5G服務(wù)推出時(shí)扮演重要角色，而在軌道交通、風(fēng)電、工程車輛等戶外5G通信應(yīng)用需求也將快速增長(zhǎng)。其中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(fēng)、重型車輛等所引發(fā)的振動(dòng)瞬態(tài)。5G應(yīng)用需要先進(jìn)的MEMS振蕩器技術(shù)，來提供精淮時(shí)鐘和快速時(shí)鐘恢復(fù)，保證通信穩(wěn)定，減少漏傳誤傳。

以小型基地站為例，由于行動(dòng)服務(wù)需求毫無衰退跡象且頻寬增加，持續(xù)帶動(dòng)都會(huì)環(huán)境中網(wǎng)路密致化(densification)的相關(guān)需求。而小型基地臺(tái)(small cell)的建置，正有助于解決這類快速成長(zhǎng)的需求。正如名稱所示，小型基地臺(tái)是一種尺寸較小的低功耗基地臺(tái)，輸出功率在0.2W到10W之間，覆蓋范圍從幾十公尺到2公里遠(yuǎn)。根據(jù)小型基地臺(tái)論壇(Small Cell Forum)統(tǒng)計(jì)，截至2016年五月全球已部署1,400萬個(gè)小型基地臺(tái)，2017年出貨量可望超過500萬臺(tái)，其中又由中國移動(dòng)打頭陣，預(yù)料投標(biāo)量將達(dá)到100萬臺(tái)。

MEMS振蕩器技術(shù)的演化

過去75年以來，電子業(yè)一直使用石英振蕩器來滿足精確度需求在百萬分之一水準(zhǔn)的應(yīng)用，它有一些與生俱來的缺點(diǎn)但還是很好用。因?yàn)槭⒂衅淙秉c(diǎn)，加上硅生產(chǎn)架構(gòu)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)較大，全硅制造的MEMS時(shí)脈裝置已開始取代石英振蕩器。2006年全球首款MEMS振蕩器問世，不但在防撞與防震方面展現(xiàn)了卓越效能，特定溫度下也不會(huì)突然出現(xiàn)跳頻現(xiàn)象（頻率擾動(dòng)和微弱跳動(dòng)）。MEMS振蕩器推出至今技術(shù)已大幅提升，溫度補(bǔ)償與鎖相回路(PLL)均有所提升以減少抖動(dòng)及相位噪音。

現(xiàn)今市面上的MEMS振蕩器，例如SiTime Elite Platform?系列產(chǎn)品，都是多年來技術(shù)不斷精進(jìn)與投入大筆資金所獲得的成果。最新的MEMS時(shí)脈技術(shù)不但能提供低噪音／低抖動(dòng)時(shí)脈，對(duì)撞擊、振動(dòng)、氣流與快速溫度瞬態(tài)等環(huán)境壓力也具有無敵的復(fù)原力。這樣的效能，可讓各種應(yīng)用更加可靠、效能更高，其中當(dāng)然也包括小型基地臺(tái)。

MEMS可靠度

在MEMS諧振器的設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員可以完全掌控諧振器的側(cè)向形狀，藉此控制諧振模式。MEMS諧振器的設(shè)計(jì)，主要是為了避免寄生波模(spurious mode)穿過主要模態(tài)(fundamental mode)，這樣諧振器才不會(huì)造成頻率擾動(dòng)。

MEMS的結(jié)構(gòu)里包含了一個(gè)純硅的單一機(jī)械結(jié)構(gòu)?？估瓘?qiáng)度為7 GPa，是鈦(330-500 MPs)的14倍。振動(dòng)時(shí)振諧器在兩個(gè)側(cè)邊之間移動(dòng)，幅度不到間隙長(zhǎng)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(cè)邊，這里的1 g = 9.8公尺／平方秒，也就是海平面上的重力加速度。

在MEMS的制造過程中，會(huì)使用Epi-Seal?制程來清潔振諧器，同時(shí)將其完全密封在真空中，藉此消除老化機(jī)制。這種制程是MEMS振蕩器之所以可以達(dá)成極高可靠度的基礎(chǔ)。MEMS振蕩器累積出貨量已超過6.25億個(gè)，因?yàn)镸EMS振諧器所造成的現(xiàn)場(chǎng)故障率(field failure)卻等于零。從圖1可以看出MEMS振諧器比石英產(chǎn)品更具可靠度優(yōu)勢(shì)，每百萬中不良品數(shù)量(DPPM)比一級(jí)石英供應(yīng)商少30倍。

圖1：比較MEMS振蕩器與一級(jí)、二級(jí)石英供應(yīng)商的每百萬中不良品數(shù)量(DPPM)

對(duì)任何一種設(shè)計(jì)來說，可靠度都是一個(gè)重要的考量因素，對(duì)部署在戶外的設(shè)備尤其重要?？煽慷雀?，不但能提升服務(wù)品質(zhì)，也可降低維護(hù)成本與整體擁有成本(TCO)。

震動(dòng)效能

MEMS振蕩器更能抵抗撞擊、震動(dòng)等各種環(huán)境壓力。振諧器的質(zhì)量比石英振諧器大約低了1,000到3,000倍。這意味當(dāng)MEMS結(jié)構(gòu)承受衝擊或震動(dòng)等各種不同程度的加速度時(shí)，所造成力道會(huì)遠(yuǎn)低于同等級(jí)石英裝置，所產(chǎn)生的頻率位移也會(huì)更低。圖2比較了MEMS振諧器與石英振諧器的結(jié)構(gòu)與尺寸。

圖2：比較石英與MEMS振蕩器的結(jié)構(gòu)

圖3則比較了MEMS Super-TCXO（溫度補(bǔ)償振蕩器）以及同等級(jí)產(chǎn)品中最高階的石英TCXO的相位噪音，從中可看出MEMS結(jié)構(gòu)的好處之一。隨機(jī)振動(dòng)級(jí)數(shù)為7.5g均方根(rms)，頻段為15 Hz到2 kHz。在這樣的振動(dòng)頻段下，MEMS TCXO的相位噪音低了大約20倍，對(duì)于必須面臨這類環(huán)境壓力的系統(tǒng)來說是很大的優(yōu)勢(shì)。在有振動(dòng)壓力的情況下還能維持良好的相位噪音效能，對(duì)于小型基地臺(tái)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(jī)振動(dòng)下的相位噪音，輸出頻率為20 MHz

另一個(gè)測(cè)量震動(dòng)敏感度的單位，就是外加每單位g正弦波加速度時(shí)所產(chǎn)生的頻率位移。最常用的單位是每單位g加速度所產(chǎn)生的十億分之一(ppb)頻率位移，也就是ppb/g。下圖4比較了MEMS TCXO振蕩器與四種不同石英TXCO的正弦波震動(dòng)敏感度。如圖所示，MEMS的震動(dòng)敏感度低了15到150倍，隨振動(dòng)頻率而有所不同。

圖4：4g加速度下的震動(dòng)敏感度(ppb/g)(MEMS振蕩器=SiT5376)

DualMEMS振蕩器技術(shù)

從初代產(chǎn)品開發(fā)至今，防振性與可靠度一直是MEMS振蕩器固有的優(yōu)勢(shì)。近年來各種科技進(jìn)展，尤其是採用SiTime Elite Platform MEMS振蕩器系列產(chǎn)品的雙MEMS架構(gòu)，都讓MEMS振蕩器具備更多優(yōu)勢(shì)，像是面對(duì)溫度變化及低相位噪音時(shí)的復(fù)原能力。在以數(shù)字說明這些優(yōu)點(diǎn)之前，為協(xié)助讀者了解，我們將概略介紹Elite Platform技術(shù)與架構(gòu)，并解釋這些優(yōu)點(diǎn)如何形成。

圖5為DualMEMS?振蕩器架構(gòu)圖解。圖左是諧振器和溫度感測(cè)器，其中包含兩個(gè)MEMS。其中一個(gè)振諧器用來當(dāng)作溫度感測(cè)器，利用其頻率相對(duì)于溫度斜率達(dá)-7 ppm/C，屬于相對(duì)陡峭但呈線性的特性。這個(gè)振諧器名為TempSense振諧器。另一個(gè)振諧器則能為下游鎖相回路提供參考時(shí)脈，是為了讓頻率相對(duì)于溫度斜率相對(duì)平穩(wěn)而設(shè)計(jì)，名為TempFlat?振諧器。TempFlat (TF)和TempSense (TS)兩種振諧器頻率比能準(zhǔn)確提供振諧器溫度的讀數(shù)，溫度分辨率達(dá)30-μK。另一大特色則是TF與TS振諧器之間緊密的熱藕合傳導(dǎo)，這是因?yàn)樗鼈冮g隔僅100微米(micron)而且位于同一個(gè)基板上。這樣的結(jié)構(gòu)讓TF與TS振諧器之間幾乎沒有熱延遲的問題。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，出現(xiàn)熱流時(shí)TF與TS振諧器的溫度偏置只有52 milliKelvin (m°K)。

圖5：Elite Platform DualMEMS圖解

相較之下，石英TCXO的溫度感測(cè)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于石英振諧器的下方。溫度感測(cè)器與石英振蕩器結(jié)構(gòu)里振諧器的間隔，造成兩個(gè)零件之間的熱延遲，因此在急速熱瞬態(tài)下會(huì)造成極大的頻率誤差。稍后我們將以量化數(shù)據(jù)探討石英與MEMS產(chǎn)品對(duì)急速熱瞬態(tài)的反應(yīng)。

圖6：比較MEMS振蕩器與石英振蕩器的結(jié)構(gòu)

溫度補(bǔ)償架構(gòu)另一個(gè)重要的元素就是溫度至數(shù)位轉(zhuǎn)換器(TDC)。如圖7所示，這種電路板所產(chǎn)生的輸出頻率，和TF振諧器及TS振諧器所產(chǎn)生頻率的比率成正比。溫度至數(shù)位轉(zhuǎn)換器的溫度分辨率為30 micro-Kelvin (μ°K)，頻寬最高達(dá)350 Hz。拜這些特色之賜，就能達(dá)到接近電信級(jí)的優(yōu)異相位噪音效能與艾倫偏差效能。艾倫偏差可用來測(cè)量低頻抖動(dòng)和漂移（艾倫偏差<10-10，1秒平均時(shí)間）。更精確來講，艾倫偏差是一種二樣本偏差，專門針對(duì)持續(xù)測(cè)量的分頻值。它能把特定時(shí)間間隔（稱為平均時(shí)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(xiàn)，或做成對(duì)比于平均時(shí)間的線圖。對(duì)于應(yīng)用在網(wǎng)路連線的TCXO，優(yōu)秀的艾倫偏差效能特別重要。

溫度至數(shù)位轉(zhuǎn)換器頻寬較高，加上TF與TS振諧器之間緊密的熱藕合傳導(dǎo)，讓TCXO在面臨快速溫度瞬態(tài)時(shí)，頻率誤差可以達(dá)到最低水準(zhǔn)。

圖7：溫度至數(shù)位轉(zhuǎn)換器

快速熱瞬態(tài)下的頻率響應(yīng)

從圖8的影片屏幕截圖，可以看出DualMEMS架構(gòu)在快速熱瞬態(tài)下的優(yōu)點(diǎn)。截圖當(dāng)時(shí)是以一具熱風(fēng)器同時(shí)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)裝置：包括一個(gè)Elite MEMS Super-TCXO和一個(gè)由頂級(jí)石英廠商所生產(chǎn)的±50 ppb電信級(jí)TCXO。受到熱風(fēng)器的刺激，石英TCXO的反應(yīng)是標(biāo)稱溫度出現(xiàn)最高450 ppb的偏差，為產(chǎn)品規(guī)格的九倍。MEMS Super-TXCO則幾乎沒有出現(xiàn)頻率的變化，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100 ppb的規(guī)格極限。快速溫度瞬態(tài)下的復(fù)原能力，對(duì)于小型基地臺(tái)的效能，還有環(huán)境狀況快速變化下的服務(wù)品質(zhì)來說都十分重要。

圖8：以屏幕截圖比較溫度快速上升時(shí)±50 ppb電信級(jí)石英TCXO與MEMS Super-TCXO的表現(xiàn)

請(qǐng)觀賞完整影片示范，比較兩者在面臨敲擊、振動(dòng)、氣流等額外壓力時(shí)有何反應(yīng)。完整視頻鏈接為：https://www.youtube.com/watch?v=pHdTrxkfoLE&t=34s

鎖相回路效能

分?jǐn)?shù)鎖相回路(fractional-N PLL)是另一個(gè)關(guān)鍵架構(gòu)元素。鎖相回路乘以TF振諧器的參考時(shí)脈，加上輸出分離器，就能產(chǎn)生期望的輸出頻率。鎖相回路，還有溫度至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，對(duì)振蕩器輸出的整體相位噪音來說非常重要。鎖相回路是針對(duì)高品質(zhì)因數(shù)(Q)的電壓控制式振蕩器所設(shè)計(jì)，以便將可能會(huì)顯示為輸出雜波的相位噪音和晶載串音減至最低。鎖相回路里的分?jǐn)?shù)式反饋分離器，利用了三角波調(diào)變的技巧來提供非常細(xì)微的頻率解析度，此外還利用噪音整型技術(shù)，將相關(guān)頻段里的雜波和隨機(jī)噪音減至最少。

氣流

氣流是另一種會(huì)造成頻率改變的系統(tǒng)壓力源，對(duì)戶外小型基地臺(tái)是一種潛在的壓力因素。熱氣流出振蕩器時(shí)所產(chǎn)生的熱流變化，可能導(dǎo)致核心溫度變化。又快又強(qiáng)的氣流，對(duì)于從振蕩器流向四周環(huán)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(dòng)效果。圖9以圖表呈現(xiàn)氣流平均時(shí)間為1到1,000秒時(shí)艾倫偏差(ADEV)的變化。如圖所示，當(dāng)平均時(shí)間在1到10秒間，MEMS振蕩器的艾倫偏差效能最高可提升38倍。

圖9：比較MEMS與石英振蕩器遭遇氣流時(shí)的艾倫偏差

艾倫偏差是測(cè)量頻率穩(wěn)定性的時(shí)域單位。相較于標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation)，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于能和大部分類型的噪音融合，因此被廣泛利用在振蕩器頻率穩(wěn)定性的特徵化。良好的艾倫偏差效能，對(duì)于電信等級(jí)TCXO以及Elite Platform MEMS振蕩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(yīng)噪音排除

除了震動(dòng)、環(huán)境溫度變化與氣流改變等外部環(huán)境壓力，內(nèi)部系統(tǒng)也常存在壓力。舉例來說，電源供應(yīng)噪音可能來自鄰近資料傳輸線與交換調(diào)整器的串音。對(duì)振蕩器來說很重要的一件事，就是當(dāng)電源接腳出現(xiàn)噪音時(shí)還能維持良好的相位噪音及抖動(dòng)效能，如此一來才能維持優(yōu)越的系統(tǒng)效能。電源供應(yīng)噪音排除是測(cè)量振蕩器遇到電源供應(yīng)噪音時(shí)復(fù)原能力的一種工具，其實(shí)就是以皮秒為單位輸出時(shí)所觀察到的抖動(dòng)，除以電源接腳上注入抖動(dòng)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(dòng)振幅為50 毫伏特(mV)。圖10比較了MEMS振蕩器與6家不同石英廠商所生產(chǎn)的振蕩器，在20 kHz到 40 MHz噪音范圍下的峰間抖動(dòng)結(jié)果。

圖10：比較MEMS與石英振蕩器的電源供應(yīng)噪音排除效能

如圖中所示，MEMS振蕩器在電源供應(yīng)噪音排除上的表現(xiàn)較佳。MEMS裝置能展現(xiàn)低抖動(dòng)特性，是因?yàn)閽裼昧撕脦讉€(gè)晶載低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，能將壓控振蕩器、MEMS振蕩器等重要元件隔離開來。

解決戶外小型基地臺(tái)在時(shí)脈方面的挑戰(zhàn)

過去10年來MEMS振蕩器技術(shù)已有長(zhǎng)足進(jìn)步。這些進(jìn)展包含構(gòu)成高效能振蕩器的各種關(guān)鍵要素：振諧器、溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)、鎖相回路，以及用來過濾噪音的晶載電壓調(diào)節(jié)器。除了固有的防撞擊、防震優(yōu)勢(shì)，最先進(jìn)的MEMS時(shí)脈技術(shù)還能提供同等級(jí)產(chǎn)品中最佳的動(dòng)態(tài)效能（面對(duì)系統(tǒng)與環(huán)境壓力的復(fù)原能力），因此很適合用來解決部署戶外小型基地臺(tái)時(shí)會(huì)遭遇到的問題。圖11簡(jiǎn)介了現(xiàn)有MEMS振蕩器相較于石英振蕩器的優(yōu)勢(shì)。

圖11：比較MEMS振蕩器與石英振蕩器的優(yōu)勢(shì)

在可預(yù)見的未來里，將有更多資金投入MEMS振蕩器技術(shù)的精進(jìn)，最終目的是提升相位噪音與頻率穩(wěn)定度，讓MEMS時(shí)脈成為未來數(shù)十年最佳的解決方案選項(xiàng)。