Oscylatory programowalne MEMS spełniają wymagania dotyczące niezawodności, wydajności i krótkiego czasu realizacji projektu

Projektanci systemów do zastosowań konsumenckich, motoryzacyjnych, przemysłowych, medycznych, komunikacyjnych, Internetu rzeczy (IoT) i korporacyjnych muszą brać pod uwagę wiele wymagań dotyczących taktowania zegara i charakterystyki wydajności, szczególnie tam, gdzie wymagana jest obsługa starszych standardów. Obejmują one dokładność, precyzję, stabilność, szumy systemowe, zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), zużycie energii, typ wyjścia (różnicowe lub pojedyncze) oraz różne profile widma rozproszonego. Wyzwaniem dla projektantów jest spełnienie różnych wymagań w małej obudowie przy niskim zużyciu energii.

Jednocześnie muszą oni również utrzymywać koszty i czas dostawy na minimalnym poziomie, co jest trudne w przypadku konfiguracji niestandardowych, gdzie projektanci nadal muszą zamawiać w ilościach produkcyjnych i mogą mieć do czynienia z czasem realizacji od trzech do pięciu tygodni, a nawet dłuższym. Opóźnienia te spowalniają zarówno prototypowanie, jak i prace rozwojowe, a także harmonogram produkcji produktu końcowego.

Aby zaspokoić zapotrzebowanie na bardziej elastyczne, wysokowydajne rozwiązania taktowania, projektanci mogą stosować oscylatory z programowanymi systemami mikroelektromechanicznymi (MEMS) zamiast klasycznych oscylatorów kwarcowych. Spełniają one lub przewyższają wymagania jakościowe i parametry działania, ale są dostępne w standardowych konstrukcjach, które można dostosowywać do niestandardowych wymagań.

W tym artykule pokrótce przedstawiono oscylatory programowane MEMS i opisano ich główne elementy. Następnie omówiono przykładowe urządzenia firmy SiTime i pokazano, w jaki sposób można je dobierać oraz wykorzystywać do spełnienia wymagań taktowania w szerokiej gamie zastosowań, przy jednoczesnym skróceniu czasu realizacji i obniżeniu całkowitych kosztów.

Dlaczego warto korzystać z oscylatorów programowanych MEMS?

Do czasu pojawienia się oscylatorów MEMS w latach 2000. taktowanie obwodów było zdominowane przez rezonatory kwarcowe. Jednak dzięki dynamicznym innowacjom i wykorzystaniu procesów krzemowych, oscylatory MEMS stały się preferowanym rozwiązaniem tam, gdzie wymagania projektowe kładą nacisk na jakość, niezawodność i wytrzymałość. Chociaż oscylatory kwarcowe pozostają dobrą, niedrogą opcją w wielu zastosowaniach, w porównaniu z wysoce zintegrowanymi i programowanymi urządzeniami MEMS mogą być nieco bardziej skomplikowane w zakresie projektowania. Na przykład projektanci pracujący z oscylatorami kwarcowymi muszą dobrać odpowiedni rezonator i kondensator obciążenia, aby uniknąć takich problemów, jak awaria przy zimnym starcie i niedopasowane kryształy, a także zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).

Funkcjonalność programowalnych urządzeń MEMS typu plug-and-play pozwala uniknąć tych komplikacji lub znacznie je łagodzi. Ponadto, ich prosty, znormalizowany proces produkcyjny, w połączeniu z niewielkimi rozmiarami, gwarantuje typową dla nich wydajność, niezawodność i odporność. Na przykład zastosowanie wysokonakładowych procesów produkcyjnych krzemowych układów MEMS minimalizuje możliwość zanieczyszczenia, co skutkuje mniejszą liczbą wadliwych części na milion (DPPM). Obniża to koszty, ale - co równie ważne dla projektantów - proces ten poprawia jakość i niezawodność, zwiększając średni czas pomiędzy awariami (MTBF). Dotyczy to też skrajnych temperatur otoczenia, od -55˚C do +125˚C.

Jeśli chodzi o rozmiar, niewielka masa oscylatorów MEMS - standardowy oscylator MEMS pracujący z częstotliwością 32kHz może być dostarczony w obudowie CSP wielkości główki szpilki - oznacza, że są one niezwykle wytrzymałe na wstrząsy i drgania. Ponadto oscylatory programowane MEMS nie mają odsłoniętych połączeń płytki drukowanej między rezonatorem a obwodem oscylatora, a ponieważ obwody oscylatora są zoptymalizowane pod kątem pracy w warunkach silnych szumów elektrycznych, są znacznie mniej wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Ich budowa i konstrukcja sprawiają, że są one również mniej wrażliwe na zakłócenia z płytki.

Elementy oscylatora programowanego MEMS

Programowane urządzenie MEMS składa się z rezonatora MEMS w obudowie z układem scalonym CMOS. Układ scalony CMOS zawiera obwody sterowania i wysterowania oscylatora analogowego do generowania wymaganego sygnału wyjściowego zegara (CLK) (ilustracja 1). Obwody zwykle zawierają pętlę synchronizacji fazy (PLL) z podziałem ułamkowym (Fractional-N) i powiązane dzielniki, sterowniki, regulatory napięcia, kompensację temperatury, a także obwody do sterowania rezonatorem MEMS poprzez wzbudzenie elektrostatyczne. Pamięć jednorazowo programowalna (OTP) pokazana na ilustracji 1 służy do przechowywania zaprogramowanych parametrów.

Ilustracja 1: Możliwość programowania oscylatorów MEMS wynika z zastosowania konfigurowanego obwodu oscylatora analogowego w układzie scalonym CMOS połączonego w pakiecie z rezonatorem MEMS, pokazanym z lewej strony (trzy różne typy, wybierane w zależności od zastosowania). (Źródło ilustracji: SiTime)