工（gōng）程设计总是（shì）在（zài）于（yú）利弊的权衡，但自动驾驶汽车提出的严苛要求，正在将其推（tuī）向极限。

- 自动驾驶车辆将生成海（hǎi）量的（de）数据（jù），源自各种（zhǒng）形式的视觉传感器，以及探测（cè）温度、压（yā）力和其它关键参（cān）数的环境传感（gǎn）器。

- 通信是不变的需（xū）求，车（chē）辆（liàng）内部使（shǐ）用汽车以太网（wǎng），外（wài）部通信未来（lái）将（jiāng）会采用5G技术（shù）与世（shì）界连接（jiē）。

- 它们在持续振动和冲（chōng）击的严苛（kē）环境中运行。面对外（wài）部天气和（hé）内部引擎高温的双重影响（xiǎng），温度（dù）环境（jìng）可（kě）能很极端。并且，由于（yú）车辆外部快速的天气（qì）变化（huà），以及（jí）车辆内部引（yǐn）擎释放的热（rè）量，温度的变（biàn）化（huà）会很快（kuài）。此外，由于下（xià）雨或在（zài）潮湿（shī）的路面（miàn）上行（háng）驶，水分可（kě）能随时存在。

- 汽车在发生危（wēi）险时（shí）会危及乘员生命，因此汽车的各（gè）个（gè）部件应该始终能够正常运（yùn）行，如果出（chū）现问题，它必须能够（gòu）在进入安全状态时表现良（liáng）好。

- 汽车是一种消费（fèi）品（pǐn），制造（zào）商在要求汽车电子（zǐ）器件具有高性能的同时，也非常注重（chóng）成本。芯（xīn）片占位面积必须（xū）尽可能小，以节省空间，而且芯片（piàn）必（bì）须以（yǐ）高良率制造，以保（bǎo）持合理的成本。

在所有这些要求中有一个共同的因素贯穿始（shǐ）终，而这（zhè）也（yě）是我（wǒ）们通常（cháng）认为理所当然的，那就是（shì）：时间。为了使一切都能（néng）同步（bù）运（yùn）行，即使某些部件出现（xiàn）问题，这些时钟信（xìn）号也必须（xū）正常运行。时钟（zhōng）现（xiàn）在比（bǐ）以往任（rèn）何时候都更加关键，因（yīn）此对时钟源提（tí）出了极高的要求。

石英已经成为时钟器件的（de）过（guò）去时态，现在和将来，MEMS时钟（zhōng）器件提供的（de）独一无二（èr）的稳（wěn）定性和可（kě）靠性，足（zú）以（yǐ）满足自动驾驶需求。

应对（duì）严苛环境

我（wǒ）们的（de）智（zhì）能手机可能已经很复杂（zá）了，但与自动（dòng）驾驶（shǐ）汽车相比，不值一提。智（zhì）能手机（jī）通常会（huì）被我（wǒ）们放（fàng）在口袋或小包里随身携（xié）带，如果（guǒ）不（bú）小心摔地上遭（zāo）受（shòu）严重的震动，手机有可能就无法（fǎ）工（gōng）作了。

汽车（chē）可就没（méi）那么（me）幸福了。外部行驶糟糕的（de）道路，各（gè）种（zhǒng）减（jiǎn）速带，以及与（yǔ）其他车辆或障碍物的（de）意外碰撞，有可能会损伤车辆内（nèi）部设备，而这些内部构件都需要继续运行。如（rú）上所述，车辆内部的温度和温（wēn）度变化可能也很极端。此外，电磁干扰（EMI）如果（guǒ）处理（lǐ）不当，也可能会影响通信的可靠（kào）性。

如（rú）果在这些恶劣条件下出（chū）现任何故（gù）障，那么车辆必须进入一种（zhǒng）安全状态。但是，如果协（xié）调这一（yī）切（qiē）的时钟器（qì）件（jiàn）因环境压（yā）力而（ér）失（shī）效，安全状态就无（wú）从谈起了。这（zhè）是（shì）MEMS时钟器件的一个重要优（yōu）势：MEMS时钟器件比石（shí）英器（qì）件更加稳健（图（tú）1）。例如，某些MEMS器件（jiàn）可提供0.1 ppb/g的稳（wěn）定性（与石英的（de）0.5 ppb/g相比）。它们可以应对50 kg的冲击和70 g的振动。它们的（de）运行温度在-55 ~ 125°C（比石英器件的范围更（gèng）广（guǎng））。而且，凭借可编程边缘速（sù）率（lǜ）（±0.25 ~ 40 ns）和高达4%（±0.25%）的扩频能力（石（shí）英不具备的功（gōng）能），MEMS时钟器件（jiàn）可（kě）将EMI降低11%。

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图1：MEMS与石英时钟器件在热气流和（hé）振动下的卫星跟踪（zōng）对比（bǐ），石英多次丢失信号，而（ér）MEMS表现非常（cháng）稳（wěn）定（dìng）

随着时间的推移，时钟仍必须保持可（kě）靠。MEMS时钟器件已经证（zhèng）明了其超高的可（kě）靠性。事实上，使用相同的示例，它（tā）们从未出现过一次失效（xiào）故障（zhàng）。系统（tǒng）寿命期间测量统计的每百万缺（quē）陷数（DPPM）已降（jiàng）至1.6以下，平均故障间隔时间（MTBF）超过10亿小时（即（jí）114000年）。而石英器件（jiàn）的每百万缺陷数约为200 ~ 500，平均故障间隔时间不到（dào）5000万小时。此外（wài），MEMS没（méi）有频率扰（rǎo）动（activity dips）或微跳变问题，也没有（yǒu）冷启动的问题，而这些一直是石英器件需要面对的挑（tiāo）战。与仅满足AIC-Q200要求（qiú）的石英（yīng）相比，MEMS时钟器件还能够（gòu）满足AEC-Q100测试要（yào）求。

车辆内外通信（xìn）

据麦（mài）姆斯咨（zī）询介绍，汽车行业（yè）已经采用以太网的形式来处理车辆内部通信（xìn）。这包括各（gè）个（gè）域内（nèi）以（yǐ）及之间的功能通信（xìn），例如传动系统、底盘和中心堆栈等。数据速率可以达到10、40和（hé）/或100 Gbps。就（jiù）我们熟知的家庭（tíng）和办公室网络中的以太网，汽车以太网解决（jué）了“正常”以太网带来的几个问题（tí）。

- 具有（yǒu）较低的（de）射频（RF）噪声，减（jiǎn）少信号之间的干扰（rǎo）。

- 它为请求和发送紧急传感器和其他数（shù）据提供微秒（miǎo）延迟。

- 带宽可以分配给具有特定延迟要求的特定数据流。

- 可以在组件之间同步时钟，以（yǐ）实现同（tóng）时数据采样等（děng）功能。

与此同时（shí），5G将承担车辆与（yǔ）外部世界（jiè）的通（tōng）信（xìn），例如与其他车辆、本地基础设（shè）施和手机信号塔（tǎ）等。这种所（suǒ）谓的“车（chē）联网”系（xì）统对5G时钟提出了非常高的（de）要求：网络端10 ns的延（yán）迟（chí），频率进（jìn）入两位数千兆（zhào）赫范围。

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图2：汽车（chē）电子需要通过汽车以太（tài）网进行（háng）内部（bù）通信，并通（tōng）过5G进（jìn）行外（wài）部通信

这些通信将涵盖（gài）非（fēi）常关键的应用，如（rú）车辆间的（de）对话；以（yǐ）及便（biàn）利性应（yīng）用，如（rú）流媒（méi）体（tǐ）音乐（无论实时与否（fǒu））。所有这些都必须可靠地运（yùn）行，以确保安全舒适的乘坐体验。MEMS时钟器件能够提（tí）供确（què）保内部和外部网（wǎng）络运（yùn）行所（suǒ）需（xū）的频率（lǜ）和抖动性（xìng）能，如频率（lǜ）高（gāo）于700 MHz，稳定性为（wéi）±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之下，石英时钟器件的的频率（lǜ）选择（zé）较少，且全部采用大型封装。它们（men）在-40 ~ 125℃范围内的稳定性仅为±50 ppm。此外，石英（yīng）时钟器件还有所（suǒ）谓的频率扰动等（děng）其（qí）他异常状况，使它（tā）们在安全关键应用（yòng）中不太可靠。

时钟（zhōng）器件尺（chǐ）寸不断（duàn）缩小

最后，时钟器件所需占（zhàn）用的（de）空间越小越好。也就是说，您可以根据自己的优（yōu）先级（jí）进行选择。对于极致的小型封装需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的（de）DFN封装（zhuāng）。如果（guǒ）引（yǐn）线检测对于低（dī）成本制造至关重要，那（nà）么可以（yǐ）选择SOT23-5封装。

MEMS时钟（zhōng）器件还无（wú）需负（fù）载电容，单个驱（qū）动器可（kě）以驱动多个负载。这两种特性都与石英形成了（le）鲜明（míng）对比。而（ér）且，石英时钟器件从自身特性来说必须使用（yòng）更大的封装。

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图3：针对不同（tóng）汽车应用的特性

汽车设计（jì）开始转向MEMS

汽车应用是可以想象的（de）要求最严苛的应（yīng）用之（zhī）一。它（tā）们通常在极其恶劣的条件下运行，必（bì）须保持内部和（hé）外部的可靠通（tōng）信，并且（qiě）必须能够收（shōu）集、处理和分发大量的（de）传（chuán）感器数据，以便高效和安全（quán）地（dì）运行。

控制所有这些相互交织的系统的时钟器件必（bì）须稳健可靠。它必须提供高性（xìng）能，同时尽可（kě）能小的（de）占位面积（jī）。这（zhè）些都是MEMS时钟器（qì）件（jiàn）的（de）优（yōu）势。人们（men）对（duì）自（zì）动驾驶（shǐ），以及更安全地（dì）从A点到B点的渴求，推动了时钟器（qì）件从石英向MEMS的过渡。