工（gōng）程设计总是在于利弊的权衡，但自动（dòng）驾（jià）驶汽车提出（chū）的严苛要求，正在将其推向极限（xiàn）。

- 自动驾驶车辆将生（shēng）成海量的（de）数（shù）据，源自各种形式的视觉传感器，以及（jí）探（tàn）测温度、压力和其它关键（jiàn）参数的（de）环境传感器。

- 通信（xìn）是不变的需求（qiú），车辆内部使用汽车（chē）以太网，外部通信未来将会采用5G技术与世界连接。

- 它们在持续（xù）振动和冲击的严苛环境中运行。面对外（wài）部天气和内部引擎高温的双（shuāng）重影响，温度环境（jìng）可能（néng）很（hěn）极（jí）端。并且（qiě），由于车（chē）辆外（wài）部快（kuài）速的（de）天气变化，以及车辆内（nèi）部（bù）引擎释放的热量，温度（dù）的变化会很快（kuài）。此外（wài），由于下（xià）雨或（huò）在潮湿的路面上行驶，水分（fèn）可能（néng）随（suí）时存在（zài）。

- 汽车（chē）在（zài）发生危险时会危及（jí）乘员生（shēng）命（mìng），因此汽车的各个部（bù）件应该（gāi）始（shǐ）终能够正常运行，如果（guǒ）出现问题，它必（bì）须能够在进（jìn）入安全状态时（shí）表现良（liáng）好。

- 汽车是一种消费品，制造商（shāng）在要求汽车电子器件具（jù）有高性能的同时，也非常注重成本（běn）。芯片占（zhàn）位面积必须尽可（kě）能小，以（yǐ）节省空间，而（ér）且芯片必须以高良率制造（zào），以保（bǎo）持合（hé）理的（de）成本。

在所有这些（xiē）要求中有一个共同的因（yīn）素（sù）贯穿始（shǐ）终，而这也是我们通常认为理所当（dāng）然的，那就是：时间。为了使一切都能同（tóng）步运（yùn）行，即（jí）使某些部（bù）件出现问（wèn）题，这（zhè）些时钟信号也必须正常（cháng）运行。时钟现在比以往任何时候都更加关键，因此对时钟源提（tí）出了（le）极（jí）高的要求。

石英（yīng）已（yǐ）经成为时钟器件的过去时态，现在和将来，MEMS时钟（zhōng）器件提供的独一无二的稳（wěn）定性和可靠性，足以满足（zú）自动驾（jià）驶需求。

应对严苛环境

我们的（de）智能手机可能已经很复杂了（le），但与自动（dòng）驾驶（shǐ）汽（qì）车（chē）相比（bǐ），不值一提。智能手机通常会被我们放在（zài）口袋或（huò）小包里随身（shēn）携带，如（rú）果不（bú）小心（xīn）摔地上遭受严重的震动，手机（jī）有可能就无（wú）法工作了。

汽车可就没那（nà）么幸（xìng）福了（le）。外部（bù）行（háng）驶（shǐ）糟（zāo）糕的道路，各种减（jiǎn）速带，以及与其他车辆或障（zhàng）碍物的意外（wài）碰（pèng）撞（zhuàng），有可能会（huì）损伤车辆内部（bù）设备，而这（zhè）些内部构件都需要继续运行。如上所述（shù），车辆内（nèi）部的温度（dù）和（hé）温度变化（huà）可能（néng）也很（hěn）极端。此外，电磁干扰（EMI）如果（guǒ）处理不当，也可能会影响（xiǎng）通信的可靠性。

如果在这些恶劣条件（jiàn）下出现任何故（gù）障，那么车辆必须进（jìn）入一（yī）种安全状态。但是，如果协调这一切的时钟（zhōng）器件因环境压力（lì）而失效（xiào），安全状态（tài）就无（wú）从（cóng）谈起（qǐ）了。这是（shì）MEMS时钟器（qì）件的一（yī）个重要优势：MEMS时钟（zhōng）器件比（bǐ）石英器件更加稳健（jiàn）（图1）。例如，某些MEMS器件（jiàn）可提供0.1 ppb/g的稳定性（与石英（yīng）的0.5 ppb/g相比）。它们可以应（yīng）对50 kg的冲击（jī）和70 g的振动。它们的运行温度在-55 ~ 125°C（比石英器（qì）件的范围更广）。而且，凭借可（kě）编程边缘速（sù）率（lǜ）（±0.25 ~ 40 ns）和高达4%（±0.25%）的扩频能力（石英（yīng）不具备的功能），MEMS时钟器件可将EMI降低11%。

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图1：MEMS与石（shí）英时钟（zhōng）器件在（zài）热气流和振动下的卫（wèi）星跟踪对（duì）比，石英多次丢（diū）失信号，而MEMS表现（xiàn）非常稳（wěn）定（dìng）

随着（zhe）时间的（de）推移，时钟仍必须保持可靠。MEMS时（shí）钟器件（jiàn）已经证明了其超（chāo）高的可靠性。事实上（shàng），使用（yòng）相同的（de）示例，它（tā）们从未出（chū）现过一次失效故（gù）障。系统寿命期（qī）间（jiān）测量统计的每百（bǎi）万（wàn）缺陷数（DPPM）已降至1.6以下，平均故障间隔时间（MTBF）超过10亿（yì）小时（即114000年）。而石英器件的每百万缺陷数约为200 ~ 500，平（píng）均故障间（jiān）隔（gé）时间不到5000万小时。此外，MEMS没有（yǒu）频率扰动（activity dips）或微跳变问题，也没有（yǒu）冷（lěng）启（qǐ）动的问题，而这些一直是石英器件需要（yào）面对的挑（tiāo）战。与（yǔ）仅（jǐn）满足AIC-Q200要求的（de）石英相比，MEMS时钟器件还能够满（mǎn）足AEC-Q100测（cè）试要（yào）求。

车辆内外通（tōng）信

据麦姆斯咨询介绍，汽车行业已经（jīng）采用（yòng）以太网的形式来处理车辆（liàng）内部通（tōng）信（xìn）。这包括各个域内以及之（zhī）间的功能通信，例如（rú）传动（dòng）系统、底（dǐ）盘（pán）和中（zhōng）心堆栈等（děng）。数据速率可以达到10、40和/或100 Gbps。就我们熟知（zhī）的家（jiā）庭和办公室网络中的以太（tài）网（wǎng），汽（qì）车以太（tài）网解决了“正常”以太网带来的（de）几（jǐ）个问题。

- 具有较（jiào）低的射（shè）频（pín）（RF）噪（zào）声，减（jiǎn）少信号之间的干（gàn）扰。

- 它为请求和发（fā）送紧急传感器和（hé）其他数据（jù）提供微秒延迟。

- 带（dài）宽可以分配给具有（yǒu）特定延迟要求的特定数据（jù）流。

- 可以在组件之间同步时（shí）钟，以实现同（tóng）时（shí）数据采样等功能（néng）。

与此同时，5G将承担车辆与外（wài）部世界（jiè）的（de）通信，例如与其他车辆、本地基（jī）础设（shè）施（shī）和手机信号塔（tǎ）等。这种（zhǒng）所（suǒ）谓的（de）“车联网”系统对5G时钟提出了非常高的要求：网络端10 ns的延迟，频率进入两位数千兆（zhào）赫（hè）范围（wéi）。

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图（tú）2：汽车电子（zǐ）需要通过汽（qì）车以太网进行内部（bù）通信，并通过5G进行外部通信

这（zhè）些通信将涵盖非常关键的应用，如车辆间的对话；以及便利（lì）性（xìng）应（yīng）用，如流媒（méi）体音（yīn）乐（无论实时与否）。所有这些（xiē）都必须（xū）可靠地（dì）运行，以确保（bǎo）安全舒适的（de）乘坐体（tǐ）验（yàn）。MEMS时钟器（qì）件能够提（tí）供确（què）保内部和外部（bù）网络运行所需的频（pín）率和（hé）抖动性能，如频率高于700 MHz，稳定性为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比（bǐ）之下，石英（yīng）时钟器件的的频率选择较少，且全部（bù）采（cǎi）用大（dà）型封装。它们在-40 ~ 125℃范围内的稳定性仅为±50 ppm。此外，石英时钟器件还有所谓的（de）频率扰动等其他异常状（zhuàng）况（kuàng），使（shǐ）它们在安（ān）全关键（jiàn）应用中不太可靠。

时钟（zhōng）器件尺寸不断缩（suō）小

最后，时（shí）钟器件所需（xū）占（zhàn）用的空间越小越好。也就是说（shuō），您可以根据自己的优先级进行选（xuǎn）择。对于极致的小型（xíng）封装需求，MEMS可（kě）提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如果引线检测对于低成本制（zhì）造至关重要，那么可以选（xuǎn）择SOT23-5封（fēng）装（zhuāng）。

MEMS时钟器（qì）件还无需负载电容，单个（gè）驱（qū）动（dòng）器（qì）可以驱（qū）动多个负载。这两种（zhǒng）特性都与石英形（xíng）成了鲜明对比。而且，石英时钟器件从自（zì）身特性来说必须使用更大（dà）的封装（zhuāng）。

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图3：针对不同汽车应用（yòng）的特性

汽车设（shè）计开始（shǐ）转（zhuǎn）向（xiàng）MEMS

汽车应（yīng）用（yòng）是（shì）可以想象的要（yào）求最严苛的应（yīng）用之一。它（tā）们通常在极其恶（è）劣的（de）条件（jiàn）下运行，必须保（bǎo）持内（nèi）部（bù）和外（wài）部的可（kě）靠通（tōng）信，并且必须能够收（shōu）集（jí）、处（chù）理和分发大（dà）量的传感器数据，以便高（gāo）效和安（ān）全地（dì）运行。

控制所有这（zhè）些相互（hù）交织的系（xì）统的时钟（zhōng）器（qì）件必（bì）须稳健可靠。它（tā）必须提供高性能，同时尽可能小的（de）占位面积。这些（xiē）都是MEMS时钟器件的优势。人们对（duì）自（zì）动驾驶，以及更安（ān）全地从A点到B点的渴求，推动了时钟器件从（cóng）石（shí）英向MEMS的过渡。