Oscylatory programowane 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 wszystkich 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)

W przeciwieństwie do oscylatorów kwarcowych, w których różne części są wybierane lub produkowane w oparciu o wymaganą wartość CLK, programowalne oscylatory MEMS są produkowane w partiach półfabrykatów, które można zaprogramować na wymagane częstotliwości wyjściowe. Oprócz częstotliwości można programować również inne parametry, jak np. napięcie zasilania, stabilność częstotliwości oraz czasy narastania i opadania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: szeroka gama programowanych opcji taktowania MEMS zapewnia projektantom elastyczność, która pozwala efektywnie i ekonomicznie zaspokoić potrzeby wielu generacji systemów w różnych zastosowaniach. (Źródło ilustracji: SiTime)

Precyzyjne dostrajanie parametryczne pozwala projektantowi zaprogramować częstotliwość wyjściową tak, aby dokładnie pasowała do dalszych układów scalonych, takich jak mikrokontrolery, mikroprocesory lub systemy zintegrowane w układach scalonych (SoC). Elastyczność, która eliminuje również potrzebę stosowania zewnętrznych buforów, dzielników częstotliwości i pętli PLL przesunięcia częstotliwości, znacznie zmniejsza złożoność i czas opracowania.

Chociaż oscylatory programowane MEMS znacznie zmniejszają obciążenie projektanta, to jednak go nie eliminują. Zamiast tego, przenosi się ono do dostawcy urządzeń, od którego projektanci oczekują, że będzie dysponował wiedzą z zakresu MEMS, programowanych układów analogowych i systemów, aby zapewnić niezawodne i stabilne rozwiązanie, które można łatwo zaprogramować.

Programowane rozwiązania MEMS

Pomimo elastyczności, nie stanowią opcji „jeden rozmiar dla wszystkich”, aby pokryć wszystkie możliwe zastosowania na wszystkich częstotliwościach. Jednak procesy i technologie związane z oscylatorami programowanymi MEMS zostały opanowane do tego stopnia, że mogą znacznie zbliżyć się do tego stanu. Na przykład oscylatory SiT3521 (ilustracja 3) i SiT3522 z serii Elite Platform firmy SiTime umożliwiają programowanie wewnątrzsystemowe (ISP) za pośrednictwem interfejsu I2C/SPI w zakresie odpowiednio od 1MHz do 340MHz i od 340MHz do 725MHz, z rozdzielczością co 1Hz.

Ilustracja 3: układ SiT3521 (na ilustracji) posiada cyfrowy interfejs I2C/SPI (na dole po prawej) i może być programowany w zakresie od 1MHz do 340MHz. Siostrzane urządzenie SiT3522 może być programowane w zakresie od 340MHz do 725MHz. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Jako oscylatory sterowane cyfrowo (DCO), urządzenia te nie wymagają przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) do wysterowania wejścia sterującego i nie podlegają sprzężeniu z szumem analogowym.

Ponadto, ponieważ ustawianie częstotliwości jest osiągane przez ułamkowy dzielnik sprzężenia zwrotnego PLL, nie występuje nieliniowość regulacji częstotliwości. Zastosowanie ułamkowego dzielnika sprzężenia zwrotnego oznacza również, że możliwość ustawiania nie jest ograniczona, co mogłoby mieć miejsce w przypadku oscylatora kwarcowego sterowanego napięciem. Dzięki temu urządzenia te mogą mieć 16 opcji zakresu regulacji częstotliwości w zakresie od 6,25 części na milion (ppm) do 3200ppm. Oba urządzenia charakteryzują się bardzo niskim rozsynchronizowaniem fazowym wynoszącym ~0,2ps i programowalnymi zakresami regulacji częstotliwości od ±25ppm do ±3200ppm. Ich rozdzielczość ustawiania częstotliwości osiąga nawet 5 części na trylion (ppt), z obsługą trzech typów sygnalizacji: LVPECL, LVDS i HCSL.

Ich elastyczność sprawia, że urządzenia te nadają się do takich zastosowań, jak połączenia sieciowe, przechowywanie danych w serwerach, radiofonia, telekomunikacja oraz badania i pomiary. W tym przypadku potrzeba kompatybilności wstecz ze starszymi standardami, takimi jak cyfrowa transmisja wideo lub Ethernet, wymaga zdolności do obsługi wielu częstotliwości, a także różnych wymagań w zakresie fluktuacji i szumu fazowego.

Korzystanie z oscylatorów programowanych MEMS SiT3521 i SiT3522

Urządzenia SiT3521 i SiT3522 pracują w dwóch trybach: „dowolna częstotliwość” i DCO. W trybie „dowolnej częstotliwości” projektanci mogą przeprogramować urządzenie na dowolną z obsługiwanych częstotliwości. Aby to osiągnąć, należy najpierw obliczyć wartości dzielnika końcowego, sprzężenia zwrotnego i parametru mDriver, a następnie zapisać je w urządzeniu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: nawiązując do wysokopoziomowego schematu blokowego oscylatora I2C/SPI, programowanie zarówno SiT3521, jak i SiT3522 rozpoczyna się od obliczenia wartości dzielnika końcowego, dzielnika sprzężenia zwrotnego i wartości parametru mDriver, przy czym jedyną wartością wprowadzaną przez użytkownika dla tych obliczeń jest docelowa częstotliwość wyjściowa. (Źródło ilustracji: SiTime)

Jedyną wartością wprowadzaną przez projektanta, która jest niezbędna do tych obliczeń, jest wymagana częstotliwość wyjściowa. Pozostałe wartości wejściowe są dopuszczalnymi zakresami dzielnika. Należy pamiętać, że po zaprogramowaniu nowej wartości wyjście jest wyłączane na chwilę, więc projektant musi to uwzględnić.

W przypadku sterowania cyfrowego proces ten jest łatwiejszy. Urządzenie jest uruchamiane z nominalną częstotliwością roboczą i zakresem regulacji częstotliwości, zgodnie z kodem zamówienia urządzenia. Od tego momentu zarówno zakres regulacji częstotliwości, jak i częstotliwość wyjściową można ustawić poprzez zapis w odpowiednich rejestrach sterujących (ilustracja 4, na górze, po lewej stronie). Są jednak pewne niuanse, które należy wziąć pod uwagę. Na przykład, maksymalna zmiana częstotliwości wyjściowej jest ograniczona przez limity zakresu regulacji częstotliwości. Zakres ustawień jest określony jako połowa odchylenia międzyszczytowego, więc odchylenie międzyszczytowe 200ppm jest określone jako zakres regulacji częstotliwości ±100ppm.

Po wybraniu wymaganego zakres regulacji częstotliwości z listy 16 opcji (od ±6,25ppm do ±3200ppm, jak wspomniano wcześniej), zakres regulacji częstotliwości jest ładowany do odpowiedniego rejestru sterującego (Reg2[3:0], ilustracja 4). Zakres regulacji częstotliwości wpływa na precyzję częstotliwości, zgodnie z tabelą 1.

Aby zmienić częstotliwość wyjściową, projektant wpisuje dwa słowa sterujące: najpierw słowo najmniej znaczące (LSW) do rejestru Reg0[15:0], a następnie słowo najbardziej znaczące (MSW) do rejestru Reg0[15:0]. Po zapisaniu słowa MSW, urządzenie zmienia wartość dzielnika sprzężenia zwrotnego, aby dostosować się do nowej częstotliwości. Odbywa się to w ramach czasowych Tdelay (ilustracja 5).

Ilustracja 5: w trybie DCO zmiana częstotliwości wyjściowej jest inicjowana po zapisaniu słowa MSW, a kończy się po zmianie przez urządzenie wartości sprzężenia zwrotnego (w czasie Tdelay) i ustabilizowaniu się (Tsettle) na poziomie 1% nowej wartości (F1). (Źródło ilustracji: SiTime)

Po ustawieniu wartości dzielnika wyjście stabilizuje się w zakresie 1% końcowej wartości częstotliwości. W przeciwieństwie do trybu „dowolnej częstotliwości”, podczas zmian częstotliwości wyjście nie jest wyłączane. Jeśli jednak włączona jest funkcja sterowania włączaniem wyjścia programowego (OE), projektant może wybrać ręczne wyłączenie wyjścia w okresie zmiany częstotliwości.

Aby zapoznać się z urządzeniami i upewnić się, że spełniają one wymagania zastosowania, projektanci mogą eksperymentować z nimi przy użyciu płytki ewaluacyjnej SiT6712EB. Obsługuje ona zarówno urządzenia SiT3521, jak i SiT3522 z wyjściami sygnału różnicowego w 10-wtykowej obudowie QFN i umożliwia ocenę wszystkich aspektów urządzeń, w tym integralności sygnału, szumu fazowego, fluktuacji fazy i łatwości przeprogramowania. Obsługuje ona również typy sygnałów wyjściowych LVPECL, LVDS i HCSL oraz zawiera punkty pomiarowe do pomiarów częstotliwości wyjściowej.

Należy zaznaczyć, że są to oscylatory różnicowe o czasach narastania i opadania poniżej nanosekundy. Aby zapewnić dokładne pomiary, ważne jest stosowanie najlepszych praktyk pomiarowych oraz wysokiej jakości aktywnej sondy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: podczas korzystania z płytki SiT6712EB należy stosować najlepsze praktyki w zakresie szybkich pomiarów, w tym używać wysokiej jakości aktywnej sondy i odpowiednich szybkich różnicowych głowic pomiarowych. (Źródło ilustracji: SiTime)

Aby uzyskać optymalne wyniki, należy stosować sondę aktywną o szerokości pasma >4GHz i pojemności obciążenia <1pF, z dopasowanymi głowicami szybkich sond różnicowych. Dołączony oscyloskop powinien mieć szerokość pasma 4GHz lub wyższą, z wejściami 50Ω.

Oscylatory programowane dostosowane do zastosowań, dostępne od ręki

Istnieje oczywiście wiele serii oscylatorów programowanych MEMS. Niektóre z nich nadają się do zastosowań sieciowych, nadawczych i komunikacyjnych, a inne mogą mieć cechy, które czynią je przydatnymi w branży motoryzacyjnej, takie jak kwalifikacja AEC-Q100, lub w przemyśle, z naciskiem na takie cechy jak szeroki zakres temperatury pracy. Na przykład oscylator SiT1602BI-33-33S-33.333330 pracuje w zakresie temperatur od -40˚C do +85˚C. 33.333330 oznacza jego częstotliwość nominalną w megahercach.

Istnieją również opcje obudów i napięć, które są dopasowane do konkretnych zastosowań. Na przykład urządzenie SiT1532 jest niskonapięciowym oscylatorem CMOS (LVCMOS) 1,2V w obudowie UFBGA o wymiarach 1,54mm x 0,84mm i wysokości 0,60mm (ilustracja 7). Ponieważ jest on przeznaczony do zastosowań mobilnych i Internetu rzeczy (IoT), jego częstotliwość znamionowa wynosi 32,768kHz.

Ilustracja 7: urządzenie SiT1532 jest oscylatorem programowanym MEMS LVCMOS w obudowie UFBGA do zastosowań IoT i mobilnych. (Źródło ilustracji: SiTime)

Oscylator SiT8924AE 24 MHz do zastosowań motoryzacyjnych łączy bardzo szeroki zakres temperatur pracy (od -55˚C do +125˚C) z niewielką obudową SMD (do montażu powierzchniowego) bez odprowadzeń o powierzchni podstawy 2,50mm x 2,00mm i wysokości 0,80mm.

Omawiane urządzenia programowane MEMS, występujące w dziesiątkach serii, są łatwo dostępne od ręki z nominalnymi częstotliwościami, wszystkie mają tę samą pierwotną formę: półprodukt. Są to w zasadzie oscylatory „programowane w terenie”, które zaczynały jako półfabrykaty, które zostały następnie fabrycznie zaprogramowane na powszechnie wymagane częstotliwości i zmagazynowane przez firmę DigiKey.

Szybka wysyłka oscylatorów niestandardowych

Posiadanie szerokiej gamy dostępnych oscylatorów pomaga szybko wprowadzić na rynek powszechnie wymagane układy taktowania, ale nie każdy projektant chce zajmować się programowaniem oscylatorów, mimo że jest to dość proste, a w niektórych przypadkach mogą być również potrzebne niestandardowe konfiguracje. W przeszłości oznaczało to trzy do pięciu tygodni oczekiwania na dostawę niestandardowej konfiguracji z fabryki. Firma DigiKey rozwiązała ten problem instalując we własnym magazynie automatyczny programator dedykowany do części firmy SiTime (ilustracja 8).

Ilustracja 8: automatyczny programator w DigiKey, dedykowany do oscylatorów SiTime, podczas umieszczania półfabrykatu oscylatora w gnieździe programującym. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Programator posiada obecnie osiem gniazd i może zaprogramować do 1500 sztuk na godzinę, skracając czas realizacji niestandardowych konfiguracji do 24-48 godzin, bez minimalnych ilości zamówień.

Aby skorzystać z tej możliwości, projektanci powinni zacząć od sekcji oscylatorów programowalnych SiTime na TechForum DigiKey. Po złożeniu zapytania jeden z techników DigiKey natychmiast otrzyma wiadomość e-mail. Technik sprawdza nowy numer katalogowy i dodaje go do witryny DigiKey. Chociaż witryna prowadzi projektantów przez proces zamawiania, pomocna może być znajomość nomenklatury firmy SiTime dotyczącej konfiguracji oscylatorów (ilustracja 9).

Ilustracja 9: ilustracja przedstawia nomenklaturę konfiguracyjną typową dla programowalnych oscylatorów MEMS firmy SiTime, w tym przypadku dla podstawowego modelu SiT2001. (Źródło ilustracji: SiTime)

Podsumowanie

Projektanci systemów do różnych zastosowań potrzebują elastycznych rozwiązań w zakresie taktowania obwodów, aby sprostać obecnym, jak również starszym i przyszłym specyfikacjom oraz wymaganiom systemowym. Zamiast korzystać z wielu oscylatorów kwarcowych lub MEMS oraz związanych z nimi układów i złożonych projektów, projektanci mogą zaoszczędzić miejsce, czas i koszty, wybierając programowane urządzenia MEMS, które już teraz mogą spełnić wiele wymagań.

Jeśli wymagane są projekty niestandardowe, projektanci nie muszą czekać od trzech do pięciu tygodni na wysyłkę z fabryki. Wykorzystując programator dedykowany do urządzeń SiTime, firma DigiKey może rozpocząć wysyłkę niestandardowych konfiguracji w ciągu 24 do 48 godzin.