Silizium-MEMS-Oszillatoren (Micro-Electro-Mechanical Systems) werden zunehmend zur bevorzugten Timing-Lösung für Designer, die für ihre Anwendungen höhere Qualitätsstandards wünschen. Dies geht über eine erhöhte Zeitgenauigkeit hinaus und umfasst die Entwicklung von Produkten, die nicht so schnell verschleißen, eine größere Vielfalt an Betriebsbedingungen bewältigen können, eine längere Batterielebensdauer haben und kleiner sind. Bisher ist SiTime führend bei siliziumbasierten Timing-Lösungen, verfügt über einen Marktanteil von 90 % und hat weit über eine Milliarde Einheiten ausgeliefert.
MEMS-Oszillatoren vs. Quarzkristallresonatoren
Aufgrund ihres Designs und ihrer Konstruktion sind MEMS-Oszillatoren herkömmlichen Quarzkristallresonatoren grundsätzlich überlegen. Beginnend mit einem standardisierteren und weniger komplizierten Herstellungsprozess sind MEMS-Oszillatoren weniger anfällig für Kontaminationen. Dies führt zu einem 30-fach besseren DPPM (defekte Teile pro Million) und MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen), also einer besseren Qualität und Zuverlässigkeit. Außerdem sind sie gegenüber den meisten Umweltbedingungen deutlich robuster. Da MEMS-Oszillatoren keine freiliegenden PCB-Verbindungen zwischen dem Resonator und der Oszillatorschaltung haben und die Oszillatorschaltungen für elektrische Rauschbedingungen optimiert sind, sind sie viel weniger empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI). Da ihre Masse tausendmal geringer ist als die von Quarzresonatoren, sind sie außerdem weitaus unempfindlicher gegenüber Stößen und Vibrationen. Ähnliche Designmerkmale machen sie weniger empfindlich gegenüber Betriebstemperatur und Platinengeräuschen.
Kostenüberlegungen
Der Einsatz von Quarzresonatoren hat einen eklatanten Vorteil: Sie sind deutlich günstiger als MEMS-Oszillatoren. Dies mag für viele Grund genug sein, die zahlreichen oben beschriebenen Vorteile zu ignorieren und auf Quarz zu setzen, und sicherlich erfordern einige Anwendungen einfach keine Komponenten von höchster Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit. Allerdings muss man unbedingt die Kosten berücksichtigen, die über die Anschaffungskosten der Teile hinausgehen. Erstens erfordern Quarzresonatoren einen größeren technischen Aufwand, nicht nur bei der Auswahl des richtigen Resonators, sondern auch bei der Vermeidung und Überwindung häufiger Probleme wie Kaltstartfehler, nicht übereinstimmende Quarze, EMI-Konformitätsfehler usw. MEMS-Oszillatoren hingegen vereinfachen das System Design immens, da es „Plug and Play“ ist, was bedeutet, dass die oben genannten Probleme nicht zutreffen und die Inbetriebnahme garantiert ist. Zweite; mit ihrer geringeren Stellfläche, der Fähigkeit, mehrere Lasten anzutreiben und der Tatsache, dass sie keine Lastkondensatoren erfordern; MEMS-Oszillatoren benötigen deutlich weniger Platz auf der Platine und haben möglicherweise geringere Gesamtkosten für die Stückliste. Schließlich sind SiTime MEMS-Oszillatoren programmierbar, wodurch sie leichter verfügbar sind und Ingenieure bei ihren Designs flexibler sein können, um eine schnellere Markteinführung zu erreichen.
Benutzerdefinierte programmierbare MEMS-Oszillatoren
Als komplette Timing-Lösung koppeln SiTime-Oszillatoren einen MEMS-Resonator und einen programmierbaren CMOS-IC (der den Oszillationsschaltkreis, PLL (Phasenregelkreis), Temperaturkompensation, Spannungsregler und Filter umfasst) in einem einzigen Paket. Im Gegensatz zu Quarzresonatoren, bei denen verschiedene Teile hergestellt werden müssen, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen zu erreichen, werden MEMS-Oszillatoren hergestellt, indem Chargen von vor Ort programmierbaren oder „leeren“ Oszillatoren hergestellt und diese dann mit unterschiedlichen Konfigurationen programmiert werden, um unterschiedliche Ausgangsfrequenzen zu erzeugen. Neben der Frequenz sind viele weitere Parameter konfigurierbar, darunter Versorgungsspannung, Frequenzstabilität, Ausgangstreiberstärke (z. B. Anstiegs-/Abfallzeit) usw. SiTime produziert mehrere Serien von Oszillatoren, die jeden Oszillatortyp abdecken (z. B. XO , TCXO , VCXO ). , DCXO , OCXO und SSXO ) und mehrere Spezialkategorien, wie z. B. Low-Power, Automotive, Ruggedized usw. Derzeit stehen Dutzende von Oszillatorserien zur Auswahl und Hunderte von leeren Teilenummern sind verfügbar. Aus diesem relativ kleinen Rohlingssatz können Milliarden von Teilenummern generiert werden.
Aufschlüsselung der benutzerdefinierten Teilenummern
Betrachten Sie als Beispiel die leere Teilenummer SIT2001BI-S1-XXX-000.FP000, bei der es sich um den SOT23-Oszillator der Standardserie SiT2001 im industriellen Temperaturbereich handelt. Die Aufschlüsselung der Teilenummern für diese Serie ist unten in Abbildung 1 dargestellt. Beachten Sie, dass die Frequenz aus einem Bereich von 1 MHz bis 110 MHz mit einer Genauigkeit von sechs Dezimalstellen ausgewählt werden kann! Das bedeutet, dass von diesem einzelnen physikalischen Teil insgesamt 109.000.001 Frequenzen erzeugt werden können. Berücksichtigt man auch die drei Optionen für „Features Pin“, sechs Optionen für „Supply Voltage“, drei Optionen für Frequency Stability und neun Optionen für „Output Drive Strength“; Es lässt sich feststellen, dass es 52,974 Milliarden mögliche Teilenummern gibt, die aus diesem einen leeren Teil stammen können.
Abbildung 1: Teilenummern-Leitfaden stammt aus dem Datenblatt für die SiTime-Oszillatoren der Serie SiT2001B.
Diese Rohteile können von SiTime im Werk in Produktionsmengen mit einer Vorlaufzeit von 3 bis 5 Wochen programmiert werden. Bisher hat Digi-Key diese vorprogrammierten Teile bei SiTime bestellt und die gängigsten Oszillatorkonfigurationen jeder Serie auf Lager gehalten. Dies unterscheidet sich nicht von der Art und Weise, wie Digi-Key nicht programmierbare Teile wie Quarzresonatoren behandelt, und funktioniert gut für Kunden, die die Standardoszillatorkonfigurationen bestellen. Allerdings müsste jeder Kunde, der eine individuelle Konfiguration anfordert, die Vorlaufzeit von 3 bis 5 Wochen für eine Bestellung mit großen Mindestmengen abwarten. Wenn diese kundenspezifischen Anfragen gestellt werden, werden die Teilenummern zum Digi-Key-Katalog hinzugefügt, aber im Allgemeinen nicht auf Lager gehalten, da sie so selten bestellt werden. Bei der letzten Zählung hatte Digi-Key 176.509 verschiedene Teilenummern für SiTime-Oszillatoren auf der Website aufgeführt, aber nur 5.913 davon (magere 3,35 %) waren auf Lager.
Anpassungen auf Lager halten
Um diese Probleme zu überwinden und die Programmierbarkeit von SiTime-Oszillatoren voll auszunutzen, hat Digi-Key kürzlich eine automatisierte Programmiermaschine speziell für die Programmierung von SiTime-Teilen in unser Lager aufgenommen. Diese Maschine (Abbildung 2) nutzt derzeit acht Programmiersteckplätze und ist in der Lage, etwa 1.500 Einheiten pro Stunde zu programmieren. Die meisten Teilenummern in unserem Katalog können jetzt mit Lieferzeiten von nur 24 bis 48 Stunden und ohne Mindestbestellmenge bestellt werden! Digi-Key lagert einfach die Rohteile von SiTime anstelle der werkseitig vorprogrammierten Teile und programmiert sie auf Bestellung. Dies bedeutet auch, dass Digi-Key nun praktisch alle SiTime-Oszillatoren in unserem Katalog auf Lager hat, mit Ausnahme einiger Sonderserien, die im Werk programmiert werden müssen. Anders ausgedrückt: Nach der Umstellung auf kundenspezifische Programmierung hat Digi-Key nun 99 % der SiTime-Oszillatoren in unserem System auf Lager, im Gegensatz zu nur 3,35 %.
Beachten Sie, dass sich der Prozess zur Bestellung von SiTime-Oszillatoren zwar nicht geändert hat, kundenspezifische Bestellungen jedoch jetzt über die Kategorie „SiTime Programmable Oscillators“ im TechForum von Digi-Key eingereicht werden müssen. Sobald eine Anfrage eingereicht wurde, wird sofort eine E-Mail an einen unserer Anwendungstechniker gesendet, der die neue Teilenummer überprüft und sie zur Digi-Key-Website hinzufügt.
Abbildung 2: Ein Foto der automatischen Programmiermaschine von Digi-Key, die einen leeren Oszillator in einen der Programmiersockel steckt. (Bildquelle: Digi-Key)
SiTime MEMS-Oszillatoren bieten eine überzeugende Alternative zu herkömmlichen Timing-Lösungen. Sie sind nicht nur hochwertiger, zuverlässiger und robuster; Ihr integriertes und programmierbares Design ist jedoch nicht mit hohen Konstruktionskosten verbunden, benötigt weniger Platz auf der Platine und ermöglicht eine größere Designflexibilität. Aus ein paar Hundert Basisteilenummern, die die umfassende Sammlung von Oszillatorfamilien abdecken, können Milliarden von Teilenummern mit einzigartigen Konfigurationen abgeleitet werden. Doch ohne dass ein Händler diese Möglichkeit voll ausschöpft, werden nur die Standard-Oszillatorkonfigurationen ohne weiteres verfügbar sein. Bevor eine automatisierte Programmiermaschine für SiTime-Oszillatoren eingesetzt wurde, konnten die ungewöhnlichen, kundenspezifischen Konfigurationen tatsächlich nur in Produktionsmengen und mit erheblichen Vorlaufzeiten erworben werden. Aber jetzt können Kunden dank der schnellen Lieferung und der Möglichkeit zur individuellen Programmierung von Digi-Key praktisch jede SiTime-Oszillatorkonfiguration in jeder beliebigen Menge innerhalb weniger Tage erhalten!
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Über den Autor: Matt Mielke, Digi-Key
Matt Mielke erwarb 2016 seinen Bachelor of Science in Computer Engineering an der South Dakota School of Mines and Technology. Anschließend wechselte er in die Abteilung Anwendungstechnik bei Digi-Key Electronics, wo er Kunden bei der Entwicklung von Referenzdesigns und der Generierung von Referenzdesigns unterstützt technischen Inhalt. Zu seinen Interessengebieten gehören Low-Level-Embedded-Programmierung, Low-Power-Design und digitale Signalverarbeitung.
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