Programmerbara MEMS-oscillatorer uppfyller kraven på tillförlitlighet, prestanda och kort ledtid

Systemkonstruktörer för tillämpningar inom konsument-, fordons-, industri-, medicin-, kommunikations-, sakernas Internet (IoT) och företag måste ta hänsyn till en mängd olika krav på klocktid och prestanda, särskilt när det krävs stöd för äldre standarder. Dessa omfattar noggrannhet, precision, stabilitet, systembrus, elektromagnetisk interferens (EMI), strömförbrukning, utgångstyp (differentiell eller enkel) och olika spridnings-spektrumprofiler. Utmaningen för konstruktörerna är att uppfylla de olika kraven i en liten formfaktor med låg energiförbrukning.

Samtidigt måste de också hålla kostnaderna och leveranstiderna på ett minimum, vilket är svårt för anpassade konfigurationer där konstruktörerna fortfarande måste beställa i produktionskvantiteter och kan få ledtider på tre till fem veckor, eller kanske längre. Dessa förseningar fördröjer både prototyptillverkning och utveckling samt produktionsplanen för slutprodukten.

För att tillgodose behovet av en mer flexibel och högpresterande tidlösningslösning kan konstruktörer använda programmerbara MEMS-oscillatorer (mikroelektromekaniska system) i stället för klassiska kristalloscillatorer. De uppfyller eller överträffar kvalitets- och prestandakraven, men finns i standardstrukturer som kan anpassas för att uppfylla anpassade krav.

I den här artikeln presenteras kortfattat programmerbara MEMS-oscillatorer och deras huvuddelar. Därefter visas exempel på enheter från SiTime och hur de kan väljas och användas för att uppfylla tidskraven för ett stort antal tillämpningar, samtidigt som ledtiderna kortas och den totala kostnaden sänks.

Varför använda programmerbara MEMS-oscillatorer?

Fram till dess att MEMS-oscillatorer kom fram på 2000-talet har resonatorer av kvartskristall dominerat kretsars timing. Med stöd av snabb innovation och användning av kiselprocesser blev dock MEMS-oscillatorer en föredragen lösning där konstruktionskraven betonade kvalitet, tillförlitlighet och robusthet. Kvartsoscillatorer är fortfarande ett bra lågprisalternativ för många tillämpningar, men jämfört med högintegrerade och programmerbara MEMS-anordningar kan de vara något mer komplexa att konstruera. Konstruktörer som arbetar med kvartsoscillatorer måste till exempel välja rätt resonator och lastkondensator för att undvika problem som kallstartfel och felanpassade kristaller, samtidigt som de arbetar för att minimera EMI.

Den programmerbara MEMS-utrustningens plug-and-play-användbarhet gör att dessa komplikationer kan undvikas eller mildras avsevärt. Dessutom ger deras enkla, standardiserade tillverkningsprocess i kombination med deras ringa storlek inneboende prestanda, tillförlitlighet och motståndskraft. Till exempel minimerar användningen av kiselbaserade MEMS-tillverkningsprocesser i stora volymer möjligheterna till kontaminering, vilket resulterar i färre defekta delar per miljon (DPPM). Detta sänker kostnaderna, men lika viktigt för konstruktörerna är att processen förbättrar kvaliteten och tillförlitligheten genom att öka medeltiden mellan fel (MTBF). Detta gäller för alla extrema temperaturer, från -55˚C till +125˚C.

När det gäller storleken innebär MEMS-oscillatorernas små massa - en standard MEMS-oscillator på 32 kilohertz (kHz) kan levereras i ett chipskaligt paket (CSP) som är lika stort som ett knappnålshuvud - att de är extremt robusta mot stötar och vibrationer. Programmerbara MEMS-oscillatorer har dessutom inga exponerade PCB-anslutningar mellan resonatorn och oscillatorkretsen, och eftersom oscillatorkretsarna är optimerade för elektriskt bullriga förhållanden är de mycket mindre känsliga för EMI. Deras struktur och utformning är sådan att de också är mindre känsliga för brädljud.

Element i en programmerbar MEMS-oscillator

Den programmerbara MEMS-enheten består av en MEMS-resonator förpackad i en CMOS-IC. Denna CMOS-IC innehåller den analoga oscillatorkontrollen och drivkretsen för att generera den nödvändiga klockutgången (CLK) (figur 1). Kretsen omfattar vanligtvis en fraktionell N-faslåsningsloop (PLL) och tillhörande delare, drivrutiner, spänningsregulatorer och temperaturkompensation, samt kretsar för att driva MEMS-resonatorn genom elektrostatisk excitation. Det engångsprogrammerbara minnet (OTP) som visas i figur 1 används för att lagra de programmerade parametrarna.

Figur 1: Programmerbarheten hos MEMS-oscillatorer beror på användningen av en konfigurerbar analog oscillatorkrets i en CMOS-IC som är förpackad med en MEMS-resonator, som visas till vänster (tre olika typer, som väljs beroende på tillämpningen). (Bildkälla: SiTime)

Till skillnad från kvartskristalloscillatorer, där olika delar väljs eller tillverkas baserat på den önskade CLK-frekvensen, tillverkas programmerbara MEMS-oscillatorer i partier av obearbetade ämnen som kan programmeras på plats för de önskade utgångsfrekvenserna. Förutom frekvensen finns det andra programmerbara parametrar, bland annat matningsspänning, frekvensstabilitet och stignings- och falltider (figur 2).

Figur 2: Det breda utbudet av programmerbara MEMS-tidsmätningsalternativ ger konstruktörerna flexibilitet att effektivt och kostnadseffektivt uppfylla behoven hos flera generationer av system i en rad olika tillämpningar. (Bildkälla: SiTime)

Denna parametriska finjustering gör det möjligt för en konstruktör att programmera utgångsfrekvensen så att den exakt matchar efterföljande IC:er, t.ex. mikrokontroller, mikroprocessorer eller ett system-on-chip (SoC). Denna flexibilitet, som också eliminerar behovet av externa buffertar, frekvensdelare eller PLL:er för frekvensomvandling, minskar avsevärt komplexiteten och utvecklingstiden.

Även om programmerbara MEMS-oscillatorer minskar konstruktörens börda avsevärt försvinner den inte. Istället flyttas den uppströms till leverantören av enheten, som konstruktörerna är beroende av för att få den expertis inom MEMS, programmerbara analoga system och system som krävs för att garantera en tillförlitlig och stabil lösning som är lätt att programmera.

Programmerbara MEMS-lösningar

Även om de är flexibla finns det inget alternativ som täcker alla möjliga tillämpningar på alla frekvenser. Ändå har man lyckats bemästra processer och teknik för programmerbara MEMS-oscillatorer så pass bra att man kan komma mycket nära. Till exempel kan oscillatorerna SiT3521 (figur 3) och SiT3522 från SiTimes Elite-plattform programmeras i systemet (ISP) med hjälp av I2C/SPI-gränssnittet i intervallet 1 megahertz (MHz) till 340 MHz respektive 340 MHz till 725 MHz, i steg om 1 hertz (Hz).

Figur 3: SiT3521 (bilden) har ett digitalt I2C/SPI-gränssnitt (längst ner till höger) och är programmerbar från 1 MHz till 340 MHz. Dess syster, SiT3522, är programmerbar från 340 MHz till 725 MHz. (Bildkälla: DigiKey)

Som digitalt styrda oscillatorer (DCO) behöver enheterna ingen digital-till-analog-omvandlare (DAC) för att driva styringången, och de är inte utsatta för analog bruskoppling.

Eftersom frekvensdragningen sker genom en bråkdelad återkopplingsdelare i PLL finns det ingen icke-linjäritet i dragningen. Användningen av en bråkdelad återkopplingsdelare innebär också att pullability inte är begränsad, vilket den kan vara med en spänningsstyrd kvarts kristalloscillator. Detta gör det möjligt för enheterna att ha 16 olika frekvensområden mellan 6,25 ppm (parts per million) och 3200 ppm. Båda enheterna har ett extremt lågt fasjitter på ~0,2 picosekunder (ps) och specificerade programmerbara pull-områden från ±25 ppm upp till ±3200 ppm. Deras frekvensupplösning är så låg som 5 delar per biljon (ppt) och de stöder tre typer av signalering: LVPECL, LVDS och HCSL.

Deras flexibilitet gör att enheterna lämpar sig för tillämpningar som nätverk, serverlagring, sändningar, telekom samt test och mätning. Behovet av bakåtkompatibilitet med äldre standarder, t.ex. för digital videoöverföring eller Ethernet, kräver att man kan hantera flera frekvenser samt olika krav på jitter och fasbrus.

Användning av SiT3521 och SiT3522 programmerbara MEMS-oscillatorer

SiT3521 och SiT3522 har två lägen i drift: "valfri frekvens" och DCO. I alla frekvenslägen kan konstruktörer programmera om enheten till alla de frekvenser som stöds. För att åstadkomma detta måste de först beräkna värdena för post-divider, feedback och mDriver och sedan skriva dem till enheten (Figur 4).

Figur 4: Med hänvisning till ett blockdiagram på hög nivå för I2C/SPI-oscillatorn börjar programmeringen av både SiT3521 och SiT3522 med beräkningen av värdena för post-divider, återkopplingsdivider och mDriver, där det enda användarinmatningsvärdet för dessa beräkningar är målutgångsfrekvensen. (Bildkälla: SiTime)

Det enda inmatningsvärde från konstruktören som krävs för dessa beräkningar är den erforderliga utfrekvensen. De andra ingångsvärdena är delarens tillåtna intervall. Observera att när ett nytt värde programmeras inaktiveras utgången under en kort tid, så konstruktören måste ta hänsyn till detta.

För digital styrning är processen enklare. Enheten strömförsörjs till sin nominella driftfrekvens och sitt dragområde enligt enhetens beställningskod. Från den punkten kan både dragområdet och utgångsfrekvensen ställas in genom att skriva till respektive kontrollregister (övre vänster, figur 4). Det finns dock vissa nyanser att ta hänsyn till. Till exempel begränsas den maximala ändringen av utgångsfrekvensen av gränserna för dragområdet. Dragområdet specificeras som halva avvikelsen från topp till topp, så en avvikelse på 200 ppm från topp till topp specificeras som ett dragområde på ±100 ppm.

Efter att ha valt önskat dragområde från listan med 16 alternativ (mellan ±6,25 ppm och ±3200 ppm, som nämndes tidigare), laddas dragområdet till respektive kontrollregister (Reg2[3:0], figur 4). Dragområdet påverkar frekvensprecisionen, enligt tabell 1.

För att ändra utgångsfrekvensen skriver konstruktören två kontrollord: först det minst signifikanta ordet (LSW) till Reg0[15:0], följt av det mest signifikanta ordet (MSW) till Reg0[15:0]. Efter att MSW har skrivits ändrar enheten sitt värde för återkopplingsdelaren för att anpassa den nya frekvensen. Detta görs under tidsramen Tdelay (figur 5).

Figur 5: I DCO-läget påbörjas ändringen av utgångsfrekvensen när MSW skrivs och avslutas när enheten ändrar sitt återkopplingsvärde (under Tdelay) och stabiliserar sig (Tsettle) till 1 % av sitt nya värde (F1). (Bildkälla: SiTime)

Efter att dividervärdet har ställts in, stabiliseras utgången till inom 1 % av det slutliga frekvensvärdet. Till skillnad från läget "valfri frekvens" är utgången inte inaktiverad vid frekvensändringar. Om programvarans kontrollfunktion för aktivering av utgången (OE) är aktiverad kan konstruktören välja att stänga av utgången manuellt under frekvensändringsperioden.

För att bli bekant med enheterna och se till att de uppfyller applikationskraven kan konstruktörer experimentera med dem med hjälp av SiT6712EB-utvärderingskortet. Den stöder både SiT3521 och SiT3522 med differentiella signalutgångar i 10-pin QFN-paketet och gör det möjligt att utvärdera alla aspekter av enheterna, inklusive signalintegritet, fasbrus, fasjitter och enkel omprogrammering. Den stöder LVPECL-, LVDS- och HCSL-utgångssignaltyper och har provpunkter för mätning av utgångsfrekvenser.

Det är viktigt att påpeka att detta är differentiella oscillatorer med stignings- och falltider på subnanosekunder. För att säkerställa noggranna mätningar är det viktigt att använda bästa metoder för mätning tillsammans med en aktiv sond av hög kvalitet (Figur 6).

Figur 6: När du använder SiT6712EB-utvärderingskortet är det viktigt att använda bästa praxis för höghastighetsmätning, inklusive användning av en aktiv sond av hög kvalitet och lämpliga differentiella sondhuvuden för höghastighetsmätning. (Bildkälla: SiTime)

För bästa resultat bör en aktiv sond med en bandbredd på >4 gigahertz (GHz) och en lastkapacitans på <1 picofarad (pF) användas, med matchande höghastighetsdifferentiella sondhuvuden. Det medföljande oscilloskopet bör ha en bandbredd på 4 GHz eller högre, med ingångar på 50 ohm (Ω).

Applikationsorienterade, programmerbara oscillatorer som finns på hyllan

Det finns naturligtvis många serier av programmerbara MEMS-oscillatorer, och medan vissa är lämpliga för nätverk, sändningar och kommunikation, kan andra ha egenskaper som gör dem lämpliga för fordonsindustrin, t.ex. AEC-Q100-kvalificering, eller industrin, med tonvikt på egenskaper som ett högt driftstemperaturområde. SiT1602BI-33-33S-33.333330 har till exempel en driftstemperatur på -40˚C till +85˚C; 33.333330 anger dess nominella frekvens i megahertz.

Det finns även paket- och spänningsalternativ som är lämpliga för en viss tillämpning. SiT1532 är till exempel en LVCMOS-oscillator (Low Voltage CMOS) på 1,2 volt i ett UFBGA-paket med ett fotavtryck på 1,54 mm x 0,84 mm och en höjd på 0,60 mm (figur 7). Den har en nominell frekvens på 32,768 kHz och är inriktad på mobila tillämpningar och IoT-tillämpningar.

Figur 7: SiT1532 är en LVCMOS-programmerbar MEMS-oscillator i ett UFBGA-paket för IoT- och mobilapplikationer. (Bildkälla: SiTime)

SiT8924AE 24 MHz-oscillatorn för fordonsindustrin kombinerar ett mycket högt driftstemperaturområde (-55˚C till ~125˚C) och ett litet SMD-paket (Surface Mount Device) utan bly med ett fotavtryck på 2,50 mm x 2,00 mm och en höjd på 0,80 mm.

Även om dessa programmerbara MEMS-anordningar, som består av dussintals serier, är lätt tillgängliga från hyllan i sina nominella frekvenser, har alla samma ursprungliga form: obearbetade. De är i huvudsak "fältprogrammerbara" oscillatorer som började som obearbetade som sedan förprogrammerades på fabriken för vanligt förekommande frekvenser och som lagerfördes av DigiKey.

Snabb leverans av anpassade oscillatorer

Att ha ett brett utbud av oscillatorer hjälper till att snabbt få ut vanliga tidskretsar på marknaden, men det är inte alla konstruktörer som vill programmera oscillatorn, trots att det är ganska enkelt, och i vissa fall kan de också behöva anpassade konfigurationer. Historiskt sett skulle det sistnämnda ha inneburit en ledtid på tre till fem veckor för att den anpassade konfigurationen skulle levereras från fabriken. DigiKey löste problemet genom att installera en automatiserad programmeringsmaskin för SiTime-delar i sitt eget lager (figur 8).

Figur 8: DigiKey's automatiska programmeringsmaskin, som är avsedd för SiTime-oscillatorer, visas när den placerar en tom oscillator i sitt programmeringsuttag. (Bildkälla: DigiKey)

Maskinen har för närvarande åtta uttag och kan programmera upp till 1 500 enheter per timme, vilket minskar ledtiden för anpassade konfigurationer till 24-48 timmar, utan minsta antal.

För att dra nytta av den här möjligheten kan konstruktörer börja med SiTime-avsnittet om programmerbara oscillatorer på DigiKey's TechForum. När en begäran har skickats in skickas omedelbart ett e-postmeddelande till en av DigiKey's tekniska tekniker. De kommer att verifiera det nya artikelnumret och lägga till det på DigiKey-webbplatsen. Webbplatsen vägleder konstruktörerna genom beställningsprocessen, men det kan vara bra att känna till SiTime-nomenklaturen för oscillatorkonfigurationerna (figur 9).

Figur 9: Här visas den konfigurationsnomenklatur som vanligtvis används för SiTimes programmerbara MEMS-oscillatorer, i det här fallet för basmodellen SiT2001. (Bildkälla: SiTime)

Slutsats

Konstruktörer av system för en rad olika tillämpningar behöver flexibla kretstidslösningar för att uppfylla nuvarande - och även äldre och framtida - specifikationer och krav för system. Istället för flera kristalloscillatorer eller MEMS-oscillatorer med tillhörande kretsar och komplexa konstruktioner kan konstruktörerna spara utrymme, tid och kostnader genom att välja programmerbara MEMS-enheter som redan uppfyller många av deras krav.

Om det krävs specialkonstruktioner behöver konstruktörerna inte vänta tre till fem veckor på leverans från fabriken. Med hjälp av en programmeringsmaskin som är avsedd för SiTime-enheter kan DigiKey börja leverera anpassade konfigurationer inom 24-48 timmar.