Hagyományos rezonátorok és oszcillátorok
A hagyományos kvarcoszcillátorok speciális gyártástechnológiát igényelnek: a kristály vágása, szeletelése, csiszolása mind nagy precizitást igénylő feladat, a nagynevű gyártók pedig rendelkeznek a szükséges ismeretekkel és felszereléssel ahhoz, hogy a megfelelő frekvenciákra hangolt eszközöket elkészítsék és azok stabilitását 15-20 évre biztosítsák. Ám gyakran nincs tapasztalatuk az analóg elektronikában: az analóg chipeket a piacon kell megvásárolniuk, ami a minőségi megoldás biztosításának érdekében rengeteg többletköltséget jelentő, komplex feladat, és hosszú szállítási határidőkkel és minőségügyi feladatokkal jár együtt. Másrészről a félvezető-alapú óragyártóknak nincs tapasztalatuk a kvarckristályok speciális vákuumzáras kerámiatokozásában, ami feltétele a magas Q-faktor elérésének. Így kombinált eszközök helyett a külön tokozott rezonátor és analóg elektronika használatával nehéz megfelelni a piac elvárásának a miniatürizálás terén. Ahogy azt a sorozat előző részében már részletesen tárgyaltuk, az elmúlt néhány évtizedben a kvarckristály-alapú oszcillátorok, órajel-generátorok és rezonátorok szerepeltek az elsődleges időreferencia-alkatrésznek használható eszközök listáján, mivel nem létezett igazi alternatív megoldás. Napjainkban egy új technológia lép előtérbe, melyben a MEMS-struktúra és az analóg elektronika együttesen épül az IC-tokba.
1. ábra. A kvarc és a MEMS-alapú gyártástechnológia összehasonlítása gyártási idő tekintetében
A MEMS-oszcillátorok előnyei a kvarckristályokkal szemben
- Az áramkörillesztés egyszerűsödik (Plug ’n’ play), nincs szükség a kristály és az oszcillátor illesztésére.
- A minőség és megbízhatóság nő, hiszen a bonyolult kvarckristálygyártási technológiákkal szemben a MEMS oszcillátorok gyártástechnológiája a kiforrott CMOS félvezető wafer-alapú technológia. A MEMS chip egy tiszta szilíciummechanikai struktúra, melynek tisztítása utáni vákuumos hermetikus lezárása biztosítja a szennyeződésmentességet, így kizárja az öregedést gyorsító tényezőket. Ennek eredménye a harmincszor nagyobb MTBF (1150) és a max. 1,5 meghibásodás egymillió alkatrészenként.
- Alacsonyabb helyfoglalás a NYÁK-lemezen – a MEMS-oszcillátorok teljesen integrált megoldást jelentenek, nem igényelnek külső komponenseket, mint például tápegység-leválasztó kondenzátorok, így komoly helymegtakarítást érünk el.
- Az aktív MEMS-oszcillátor kimeneti vezérlője képes egyszerre 2-3 terhelés egyidejű kiszolgálására, ami lehetővé teszi, hogy több kristályt, a hozzájuk tartozó terhelőkondenzátorokkal egyetemben kiváltsunk, ami jelentős BOM-költség-megtakarítást kínál a szükséges NYÁK-terület minimalizálása mellett és ráadásul energiatakarékos is.
- A MEMS-oszcillátor kevésbé érzékeny az elektromágneses interferenciára (EMI), mert nincsenek a hagyományos megoldásokban létező „zajgyűjtő” antennaként viselkedő rezonátor és az oszcillátor közötti NYÁK-vonalak. A MEMS-chip és a CMOS-elektronika összekapcsolására alkalmazott kötések vagy golyók extrém kis méretűek, így nem lesz a kimenetre átcsatolódó zaj, amely az órajelben jitter megjelenését idézné elő. (Megjegyzendő az is, hogy a MEMS oszcillátorok nemcsak kevésbé érzékenyek az EMI-ra, de az ilyen alapon működő időzítés maga is kisebb elektromágneses interferenciaforrás, mint a hagyományos kristályalapú megoldások.) A SiTime MEMS-oszcillátorokat ellátták néhány olyan beépített megoldással, ami az óra által gerjesztett elektromágneses zavar energiáját csökkenti. Az egyik ilyen a SoftEdgeTM órajel lefutó és felfutó élvezérlés. A lassabb fel- és lefutás csökkenti a digitális órajelben megjelenő felharmonikusokat, az ezen harmonikusok által gerjesztett elektromágneses energia így minimális lesz. A SiTime Spread Spectrum Clocking (SSC) oszcillátorai nemcsak az órajelvonal EMI-radiációját csökkentik, hanem a teljes hálózatét, ami erről az oszcillátorról kapja az órajelet.
- A MEMS-oszcillátor kevésbé érzékeny a mechanikai vibrációra, hiszen a MEMS-rendszer tömege csupán töredéke, általában három nagyságrenddel kisebb, mint a kristályé, az ezekben ébredő erők is nagyságrendekkel kisebbek, mint a kristályalapú megfelelőiknél, így vibrációállósága mérések alapján tízszerese egy kristályoszcillátorénak.
- A MEMS-oszcillátor bármilyen frekvenciára elérhető, mert a kimeneti frekvenciát minden esetben a programozható szorzótényezőkkel állítható PLL-ek állítják elő, ami széles frekvenciatartományon, akár 6 digites pontosságú, egyedi frekvenciabeállítást tesz lehetővé egyszer programozható (OTP) módon.
- Az egész gyártmánycsaládra csak egyetlen kvalifikáció szükséges, hiszen csupán egy eszköz betervezése és jóváhagyása szükséges ebben az esetben akkor is, ha eltérő frekvenciájú, tápfeszültségű vagy pontosságú időzítésre van szükség egy későbbi NYÁK-változat esetén, mivel ezek a paraméterek mind programozással beállíthatók. Ilyen esetben általában elegendő az eredeti kvalifikációs dokumentáció új körülményekre szóló kiterjesztése.
A frekvencia programozhatósága
A kvarcrezonátor gyártástechnológiája korábban részletezett okok miatt hosszú gyártási és szállítási időt eredményez. Ennek egyik legfőbb oka a világviszonylatban kisszámú kerámiatokozást gyártó beszállító, másik pedig abban keresendő, hogy minden frekvenciához egyedi vágás szükséges, így elsősorban a nem szokványos frekvenciaértékek esetén extrém szállítási időkkel számolhatunk.
A MEMS-komponensek esetében a kimeneti frekvenciát minden esetben a programozható szorzótényezőkkel állítható PLL-ek állítják elő, ami széles frekvenciatartományon, akár 6 digites pontosságú egyedi frekvenciabeállítást tesz lehetővé. Mivel a szilícium MEMS-oszcillátorok hagyományos félvezetőgyártási technológiával készülnek és számtalan forrás áll rendelkezésre wafergyártásra, a MEMS-gyártókapacitás gyakorlatilag végtelen. A MEMS-oszcillátor-mérnöki minta – bármely frekvenciára programozva – egy nap alatt készen van. Ehhez nincs másra szükség, mint néhány üres MEMS-chipre és a SiTime saját feljesztésű USB-interfésszel ellátott asztali programozókészülékére, a Time Machine II-re.
2. ábra. A Time Machine IITM USB-interfésszel ellátott asztali MEMS-oszcillátorprogramozó
Természetesen az asztali eszköz nem alkalmas MEMS-oszcillátorok nagy sorozatban történő gyártására, azonban tökéletes a minták gyors elkészítésére. A programozóhoz járó szoftverben pillanatok alatt konfigurálhatjuk a kiválasztott családhoz tartozó paramétereket, mint például a frekvencia, a frekvencia stabilitása, a működési hőmérséklet-tartomány, a tápfeszültség és egyes családok esetében többféle tokozásból is választhatunk – máshol ez predesztinált. A cikkszám így automatikusan előáll, a végleges termék előreprogramozott megrendeléséhez egyértelműen azonosítható módon használható.
A tömeggyártáshoz kihelyezett vevői megrendelés esetén a rendeléskor megadott cikkszám szerint előre programozottan is mindössze néhány hét alatt hozzáférhetőek az eszközök.
A minták előállításához az ábrán látható csomag megvásárlása szükséges. A programozó, a különböző formatényezőjű programozható chipek illesztéséhez szükséges foglalatok (SOT-23 és QFN), maguk az üres chipek, kábelek és szoftvertámogatás képezi a kezdőkészletet.
3. ábra. Time Machine IITM asztali programozó és tartozékai
A következő eszközök programozását végezhetjük el ily módon:
| Ultrateljesítményű oszcillátorok | SiT8208, SiT8209 |
| Differenciális oszcillátorok | SiT9120, SiT9121, SiT9122 |
| Alacsony fogyasztású oszcillátorok | SiT8008, SiT8009, SiT2001, SiT2002, SiT1602 |
| Oszcillátorok magas hőmérsékletre | SiT8918, SiT8919, SiT8920, SiT8921, SiT2018, SiT2019, SiT2020, SiT2021, SiT1618 |
| AEC-Q100 autóipari minősítésű oszcillátorok/időzítők | SiT8924, SiT8925, § SiT2024, SiT2025 |
| VCXO (feszültségvezérelt oszcillátorok) | SiT3807, SiT3808, SiT3809 |
| Szórt spektrumú oszcillátorok | SiT9003, SiT9005 |
| Strapabíró oszcillátorok | SiT5146, SiT5147, SiT5346, SiT5347, SiT5348, SiT5349, SiT9346, SiT9347 |
| µPower oszcillátorok | SiT1581 |
1. táblázat. A programozható MEMS-oszcillátorcsaládok
A Time MachineTM szoftvercsomag része a cikkszámgenerátor, mely segítségével a 2. táblázatban foglalt paraméterekkel konfigurálhatjuk az oszcillátort.
| Állítható frekvencia | Differenciális: 1 – 725 MHz. Egyoldali : 1 – 220 MHz.6 decimális pontossággal |
| Frekvenciastabilitás | ±0.05 … ±50 ppm |
| Tápfeszültség | 1,8 V, 2,5 … 3,3 V |
| Pull Range | Programozható a ±50 … ±1600 ppm tartományon VCXO esetén és ±3200 ppm-ig DCXO esetén |
| Fel- és lefutáskontroll | 0,25 – 40 ns felfutó/lefutó él alacsony és magas kimeneti meghajtás és terhelés esetén |
| Eloszlási spektrum | ±0,25 … ±2,0% center eloszlás és –0,5 … –4,0% alsó eloszlás |
| Tokozási lehetőségek | CSP: 1508; QFN: 2016, 2520, 3225, 5032, 7050; SOT23-5: 2928; SMD: 3225, 5032, 7050 |
| Hőmérséklet-tartomány | 0 … 70 ºC , –20 … +70 ºC, –40 … +85 ºC, –40 … +95 ºC, –40 … +105 ºC, –40 … +125 ºC, –55 … +125 ºC |
| Kimeneti jelszint | Differenciális: LVPECL, LVDS, vagy HCSL. Egyoldali: LVCMOS, lecsapott szinusz |
2. táblázat. A MEMS-oszcillátorok programozható paraméterei
4. ábra. Oszcillátor programozása 8 MHz frekvenciára Time Machine IITM asztali programozóval
5. ábra. Üres MEMS-chip behelyezése a Time Machine IITM asztali programozó cserélhető foglalatába
A Time Machine a cikkszám konfigurálása után a behelyezett üres MEMS-oszcillátort felprogramozza a szükséges értékekkel, és néhány másodperc alatt készen is van a teljes értékű időzítőkomponens, amit azonnal felforraszthatunk a nyomtatott áramköri lapra. Természetesen ez a gyors mintához jutás feltételezi a szokásos tokozású, üres MEMS-chipek meglétét, de ez sem probléma, hiszen a Time Machine vásárlásakor ezekhez is hozzájutunk.
