Programmerbare MEMS-oscillatorer opfylder kravene til pålidelighed, ydeevne og kort leveringstid

Systemdesignere til applikationer, der spænder fra forbruger-, bilindustrien, industrien, medicinske applikationer, kommunikation, Internet of Things (IoT) og virksomheder, skal tage højde for en lang række krav til clocktiming og ydeevne, især når der kræves understøttelse af ældre standarder. Disse omfatter nøjagtighed, præcision, stabilitet, systemstøj, elektromagnetisk interferens (EMI), strømforbrug, udgangstype (differentielt eller enkeltmåling) og forskellige spredespektrumprofiler. Udfordringen for designerne er at opfylde de forskellige krav i en lille formfaktor med lavt strømforbrug.

Samtidig skal de også holde omkostningerne og leveringstiderne på et minimum, hvilket er vanskeligt for brugerdefinerede konfigurationer, hvor designerne stadig skal bestille i produktionsmængder og kan have en leveringstid på tre til fem uger, eller måske længere. Disse forsinkelser forsinker både prototypefremstilling og udvikling samt tidsplanen for produktion af det endelige produkt.

For at imødekomme behovet for en mere fleksibel timing-løsning med høj ydeevne kan designere bruge programmerbare MEMS-oscillatorer (mikroelektromekaniske systemer) i stedet for klassiske krystaloscillatorer. De opfylder eller overgår kravene til kvalitet og ydeevne, men leveres i standardstrukturer, der kan indstilles til at opfylde brugerdefinerede krav.

Denne artikel giver en kort introduktion til programmerbare MEMS-oscillatorer og beskriver deres vigtigste elementer. Derefter gennemgås eksempler på enheder fra SiTime og viser, hvordan de kan vælges og bruges til at opfylde timingkravene for en lang række applikationer, samtidig med at de reducerer leveringstiden og sænker de samlede omkostninger.

Hvorfor bruge programmerbare MEMS-oscillatorer?

Indtil MEMS-oscillatorer dukkede op i 2000'erne, var det kvartskrystalresonatorer, der dominerede kredsløbstiming. Med støtte fra hurtig innovation og brugen af siliciumprocesser blev MEMS-oscillatorer imidlertid en foretrukken løsning, hvor designkravene lagde vægt på kvalitet, pålidelighed og robusthed. Mens kvartsoscillatorer fortsat er en god og billig løsning til mange applikationer, kan de sammenlignet med højt integrerede og programmerbare MEMS-enheder være noget mere komplekse at designe. Designere, der arbejder med kvartsoscillatorer, skal f.eks. vælge den korrekte resonator og belastningskondensator for at undgå problemer som f.eks. koldstartfejl og fejlmatchede krystaller, samtidig med at de arbejder på at minimere EMI.

Den plug-and-play-anvendelighed, som programmerbare MEMS-anordninger har, gør det muligt at undgå eller i høj grad mindske disse komplikationer. Desuden giver deres enkle, standardiserede fremstillingsproces kombineret med deres lille størrelse en iboende ydeevne, pålidelighed og modstandsdygtighed. For eksempel minimerer brugen af siliciumbaserede MEMS-fremstillingsprocesser i store mængder mulighederne for kontaminering, hvilket resulterer i færre defekte dele pr. million (DPPM). Dette sænker omkostningerne, men lige så vigtigt for designerne er det, at processen forbedrer kvaliteten og pålideligheden og øger den gennemsnitlige tid mellem fejl (MTBF). Dette gælder for alle ekstreme omgivelsestemperaturer fra -55˚C til +125˚C.

Med hensyn til størrelse betyder MEMS-oscillatorers lille masse - en standard MEMS-oscillator på 32 kilohertz (kHz) kan leveres i en chipskala-pakke (CSP) på størrelse med et knappenålshoved - at de er ekstremt robuste over for stød og vibrationer. Programmerbare MEMS-oscillatorer har heller ingen eksponerede printkortforbindelser mellem resonatoren og oscillatorkredsløbet, og da oscillatorkredsløbene er optimeret til elektrisk støjende forhold, er de meget mindre følsomme over for EMI. Deres struktur og udformning er således, at de også er mindre følsomme over for støj fra kortet.

Elementer i en programmerbar MEMS-oscillator

Den programmerbare MEMS-anordning omfatter en MEMS-resonator pakket med et CMOS-IC. Dette CMOS-IC indeholder det analoge oscillatorstyrings- og -drevningskredsløb til at generere det nødvendige clock (CLK)-output (figur 1). Kredsløbet omfatter typisk en fraktional-N faselåsesløjfe (PLL) og tilhørende delere, drivere, spændingsregulatorer og temperaturkompensation samt et kredsløb til at drive MEMS-resonatoren ved hjælp af elektrostatisk excitation. OTP-hukommelsen (One-time-programmable), der er vist i figur 1, bruges til at gemme de programmerede parametre.

Figur 1: MEMS-oscillatorers programmerbarhed skyldes brugen af konfigurerbare analoge oscillatorkredsløb i et CMOS-IC pakket med en MEMS-resonator, som vist til venstre (tre forskellige typer, der vælges ud fra anvendelsen). (Billedkilde: SiTime)

I modsætning til kvartskrystaloscillatorer, hvor forskellige dele vælges eller fremstilles på grundlag af den krævede CLK, fremstilles programmerbare MEMS-oscillatorer i serier af blankoemner, der kan programmeres i marken til de krævede udgangsfrekvenser. Ud over frekvensen omfatter andre programmerbare parametre bl.a. forsyningsspænding, frekvensstabilitet og stignings- og faldtider (figur 2).

Figur 2: Det brede udvalg af programmerbare MEMS-timingsmuligheder giver designere fleksibilitet til effektivt og omkostningseffektivt at opfylde behovene i flere generationer af systemer på tværs af en række applikationer. (Billedkilde: SiTime)

Denne parametriske finjustering gør det muligt for designeren at programmere udgangsfrekvensen til at matche nøjagtigt nedstrøms IC'er, f.eks. mikrocontrollere, mikroprocessorer eller et system-on-chip (SoC). Denne fleksibilitet, som også eliminerer behovet for eksterne buffere, frekvensdelere eller PLL'er til frekvensomregning, reducerer i høj grad kompleksiteten og udviklingstiden.

Selv om programmerbare MEMS-oscillatorer i høj grad mindsker designernes byrde, forsvinder denne byrde ikke. I stedet flyttes den opad til enhedsleverandøren, som designerne er afhængige af, at de har MEMS, programmerbare analoge komponenter og systemekspertise til at sikre en pålidelig og stabil løsning, der er let at programmere.

Programmerbare MEMS-løsninger

Selv om de er fleksible, er der ikke nogen "one size fits all"-mulighed, der kan dække alle mulige anvendelser på alle frekvenser. Alligevel er programmerbare MEMS-oscillatorprocesser og -teknologi blevet mestret i et sådant omfang, at de kan komme meget tæt på. For eksempel kan SiT3521- (Figur 3) og SiT3522-oscillatorerne fra SiTime's Elite Platform programmeres i systemet (ISP) ved hjælp af deres I2C/SPI-interface i intervallet fra henholdsvis 1 megahertz (MHz) til 340 MHz og 340 MHz til 725 MHz i intervaller på 1 hertz (Hz).

Figur 3: SiT3521 (på billedet) har en digital I2C/SPI-grænseflade (nederst til højre) og kan programmeres fra 1 MHz til 340 MHz. Dens søsterenhed, SiT3522, er programmerbar fra 340 MHz til 725 MHz. (Billedkilde: DigiKey)

Som digitalt styrede oscillatorer (DCO'er) har enhederne ikke brug for en digital-til-analog-konverter (DAC) til at drive kontrolindgangen, og de er ikke udsat for analog støjkobling.

Da frekvenstrækningen sker ved hjælp af en brøkdelte feedback-deler i PLL'en, er der heller ikke nogen træknoklinearitet. Brugen af en brøkdelte feedbackdeler betyder også, at pullability ikke er begrænset, som det kan være tilfældet med en spændingsstyret kvartskrystaloscillator. Dette giver enhederne mulighed for at have 16 muligheder for frekvenstrækinterval mellem 6,25 ppm (parts per million) og 3200 ppm. Begge enheder har en ultra-lav fasejitter på ~0,2 picosekunder (ps) og specificerede programmerbare pull-områder fra ±25 ppm op til ±3200 ppm. Deres frekvensopløsning er så lav som 5 dele pr. billion (ppt), og de understøtter tre signaleringstyper: LVPECL, LVDS og HCSL.

Deres fleksibilitet gør enhederne velegnede til applikationer som f.eks. netværk, serverlagring, radio- og tv-spredning, telekommunikation samt test og måling. Her kræver behovet for bagudkompatibilitet med ældre standarder, f.eks. for digital videotransmission eller Ethernet, at der er mulighed for at håndtere flere frekvenser samt forskellige krav til jitter og fasestøj.

Brug af de programmerbare MEMS-oscillatorer SiT3521 og SiT3522

I drift har SiT3521 og SiT3522 to tilstande: "enhver frekvens" og DCO. I enhver frekvenstilstand kan designere omprogrammere enheden til en hvilken som helst af de understøttede frekvenser. For at opnå dette skal de først beregne post-divider-, feedback- og mDriver-værdierne og derefter skrive dem til enheden (Figur 4).

Figur 4: Med henvisning til et blokdiagram på højt niveau af I2C/SPI-oscillatoren starter programmeringen af både SiT3521 og SiT3522 med beregningen af værdierne for post-divider, feedback-divider og mDriver, hvor den eneste brugerindgangsværdi for disse beregninger er måludgangsfrekvensen. (Billedkilde: SiTime)

Den eneste inputværdi fra designeren, der er nødvendig for disse beregninger, er den ønskede udgangsfrekvens. De andre indgangsværdier er dividerens tilladte intervaller. Bemærk, at når der programmeres en ny værdi, deaktiveres udgangen i kort tid, så designeren skal tage højde for dette.

For digital styring er processen lettere. Enheden strømforsynes til sin nominelle driftsfrekvens og trækområde i henhold til enhedens bestillingskode. Herefter kan både trækområdet og udgangsfrekvensen indstilles ved at skrive til deres respektive styringsregistre (øverst til venstre, figur 4). Der er dog nogle nuancer, der skal tages hensyn til. F.eks. er den maksimale ændring af udgangsfrekvensen begrænset af grænserne for trækområdet. Pull-området er angivet som halvdelen af afvigelsen fra top til top, så en afvigelse på 200 ppm fra top til top er angivet som et pull-område på ±100 ppm.

Efter valg af det ønskede trækområde fra listen med 16 muligheder (mellem ±6,25 ppm til ±3200 ppm, som nævnt tidligere) indlæses trækområdet i det respektive styringsregister (Reg2[3:0], figur 4). Trækningsområdet påvirker frekvenspræcisionen, jf. tabel 1.

For at ændre udgangsfrekvensen skriver designeren to kontrolord: først det mindst betydningsfulde ord (LSW) til Reg0[15:0], efterfulgt af det mest betydningsfulde ord (MSW) til Reg0[15:0]. Når MSW er skrevet, ændrer enheden sin feedback divider-værdi for at tilpasse sig den nye frekvens. Dette sker i tidsrammen Tdelay (figur 5).

Figur 5: I DCO-tilstand påbegyndes ændringen af udgangsfrekvensen, efter at MSW er skrevet, og afsluttes, når enheden ændrer sin feedbackværdi (i løbet af Tdelay) og stabiliserer sig (Tsettle) til 1 % af sin nye værdi (F1). (Billedkilde: SiTime)

Når dividerværdien er indstillet, stabiliserer udgangen sig inden for 1% af den endelige frekvensværdi. I modsætning til "enhver frekvens"-tilstanden er udgangen ikke deaktiveret under frekvensændringer. Hvis softwarens output enable (OE)-kontrolfunktion er aktiveret, kan designeren dog vælge at deaktivere output manuelt i frekvensændringsperioden.

For at blive fortrolig med enhederne og sikre, at de opfylder applikationskravene, kan designere eksperimentere med dem ved hjælp af SiT6712EB-evalueringskortet. Den understøtter både SiT3521 og SiT3522 med differentielle signaludgange i 10-pin QFN-pakken og gør det muligt at evaluere alle aspekter af enhederne, herunder signalintegritet, fasestøj, fasejitter og let omprogrammering. Den understøtter LVPECL-, LVDS- og HCSL-udgangssignaltyper og omfatter prøvepunkter til måling af udgangsfrekvensen.

Det er vigtigt at påpege her, at der er tale om differentielle oscillatorer med stignings- og faldtider på under nanosekunder. For at sikre nøjagtige målinger er det vigtigt at anvende bedste praksis for måling sammen med en aktiv probe af høj kvalitet (Figur 6).

Figur 6: Når du bruger SiT6712EB-evalueringskortet, er det vigtigt at anvende bedste praksis for højhastighedsmåling, herunder brug af en aktiv probe af høj kvalitet og egnede differentialprobehoveder til højhastighedsdifferentiering. (Billedkilde: SiTime)

For at opnå de bedste resultater skal der anvendes en aktiv probe med en båndbredde på >4 gigahertz (GHz) og en belastningskapacitet på <1 picofarad (pF) med tilhørende højhastighedsdifferentielle probehoveder. Det tilhørende oscilloskop skal have en båndbredde på 4 GHz eller derover med 50 ohm (Ω)-indgange.

Programmerbare oscillatorer, der er anvendelsesorienterede og ikke er på hylden

Der findes naturligvis mange serier af programmerbare MEMS-oscillatorer, og mens nogle er velegnede til netværk, udsendelse og kommunikation, kan andre have egenskaber, der gør dem velegnede til bilindustrien, f.eks. AEC-Q100-kvalifikation, eller til industrien, med vægt på funktioner som f.eks. et højt driftstemperaturområde. For eksempel har SiT1602BI-33-33S-33.333330 en driftstemperatur på -40˚C til +85˚C; 33.333330 angiver dens nominelle frekvens i megahertz.

Der findes også pakke- og spændingsmuligheder, som er velegnede til en bestemt anvendelse. For eksempel er SiT1532 en LVCMOS-oscillator (Low Voltage CMOS) på 1,2 volt i en UFBGA-pakke med et fodaftryk på 1,54 mm x 0,84 mm og en højde på 0,60 mm (figur 7). Den er rettet mod mobile og IoT-applikationer og har en nominel frekvens på 32,768 kHz.

Figur 7: SiT1532 er en LVCMOS-programmerbar MEMS-oscillator i en UFBGA-pakke til IoT- og mobilapplikationer. (Billedkilde: SiTime)

Til bilindustrien kombinerer SiT8924AE 24 MHz-oscillatoren et meget højt driftstemperaturområde (-55˚C til ~125˚C) og en lille, SMD-pakning (Surface Mount Device) uden ledninger med et fodaftryk på 2,50 mm x 2,00 mm og en højde på 0,80 mm.

Selv om disse programmerbare MEMS-enheder, der omfatter snesevis af serier, er let tilgængelige fra hylden i deres nominelle frekvenser, har de alle den samme oprindelige form: blankoemner. De er i det væsentlige "feltprogrammerbare" oscillatorer, der startede som råemner, som derefter blev forprogrammeret på fabrikken til almindeligt krævede frekvenser og lagerført af DigiKey.

Hurtig forsendelse af brugerdefinerede oscillatorer

At have et bredt udvalg af oscillatorer til rådighed hjælper med at få almindeligt krævede timingkredsløb hurtigt på markedet, men ikke alle designere ønsker at programmere oscillatoren, selv om det er ret ligetil, og i visse tilfælde kan de også have brug for brugerdefinerede konfigurationer. Historisk set ville sidstnævnte have betydet en leveringstid på tre til fem uger, før den tilpassede konfiguration blev sendt fra fabrikken. DigiKey løste dette problem ved at installere en automatiseret programmeringsmaskine dedikeret til SiTime-dele på sit eget lager (Figur 8).

Figur 8: DigiKey's automatiske programmeringsmaskine, der er dedikeret til SiTime-oscillatorer, er vist ved at placere en tom oscillator i programmeringsboksen. (Billedkilde: DigiKey)

Maskinen har i øjeblikket otte stik og kan programmere op til 1500 enheder i timen, hvilket reducerer leveringstiden for brugerdefinerede konfigurationer til 24-48 timer uden minimumsmængder.

Hvis du vil udnytte denne mulighed, kan designere starte med at læse afsnittet SiTime Programmable Oscillators på DigiKey's TechForum. Når en anmodning er indsendt, sendes der straks en e-mail til en af DigiKey's tekniske teknikere. De vil bekræfte det nye varenummer og få det tilføjet på DigiKey-webstedet. Mens webstedet guider designere gennem bestillingsprocessen, kan det være nyttigt at kende SiTime-nomenklaturen for oscillatorkonfigurationer (Figur 9).

Figur 9: Her vises den konfigurationsnomenklatur, der typisk anvendes til SiTime programmerbare MEMS-oscillatorer, i dette tilfælde for SiT2001-basismodellen. (Billedkilde: SiTime)

Konklusion

Designere af systemer til en række forskellige applikationer har brug for fleksible kredsløbstimingsløsninger for at opfylde nuværende - såvel som ældre og fremtidige - systemspecifikationer og krav. I stedet for flere krystal- eller MEMS-oscillatorer med tilhørende kredsløb og kompleksitet i designet kan designere spare plads, tid og omkostninger ved at vælge programmerbare MEMS-enheder, der allerede kan opfylde mange af deres krav.

Hvis der er behov for specialfremstillede designs, behøver designerne ikke at vente tre til fem uger på produktionsforsendelsen fra fabrikken. Ved hjælp af en programmeringsmaskine, der er dedikeret til SiTime-enheder, kan DigiKey begynde at sende brugerdefinerede konfigurationer inden for 24 til 48 timer.