Die Programmierbarkeit verbessert das Design elektronischer Produkte auf verschiedene Weise. Einige Vorteile liegen auf der Hand, beispielsweise eine schnellere Entwicklung und kürzere Vorlaufzeiten. Einige sind leistungsbezogen, wie im ersten Blog dieser Reihe besprochen. Weitere Vorteile, auf die wir weiter unten näher eingehen, führen auf etwas überraschende, weniger bekannte Weise zu einer Verringerung von Größe und Leistung. All diese Vorteile werden durch den umfangreichen Funktionsumfang (viele sind in der folgenden Tabelle aufgeführt) und die programmierbare Architektur von MEMS-Timingsystemen ermöglicht.
Kleinere Größe, größere Funktionen
Eine programmierbare Timing-Plattform kann die Anzahl der Komponenten und die Systemgröße auf verschiedene Weise reduzieren. Da die Frequenz unserer Geräte über einen sehr weiten Bereich mit einer Genauigkeit von sechs Dezimalstellen programmiert werden kann, können Entwickler zunächst einmal eine Ausgangsfrequenz auswählen, die genau den Anforderungen des Downstream-Chips (MCU, MPU, SoC usw.) entspricht, wodurch die Notwendigkeit entfällt für zusätzliche Puffer/Frequenzteiler und Frequenzumsetzer-PLLs. Einige Oszillatoren verfügen über eine In-System-Programmierbarkeit (ISP), die es ermöglicht, die Frequenz während des Betriebs von 1 MHz bis 725 MHz zu programmieren. Diese Oszillatoren können auch bis zu ± 3200 ppm mit einer Auflösung von 5 ppt und einer hervorragenden Pull-Linearität hochgezogen werden. Dieser programmierbare Gerätetyp eignet sich ideal zum Ersetzen mehrerer Zeitsteuerungskomponenten in Systemen, die mehr als eine Frequenz unterstützen.
Eine weitere Vorgehensweise zur Stücklistenreduzierung besteht darin, den Oszillator-Ausgangstreiber auf seine maximale Antriebsstärke zu programmieren, sodass er mehrere Geräte ansteuern kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Fanout-Puffers und die Anzahl der erforderlichen Timing-Komponenten wird reduziert. Beispielsweise kann in einem drahtlosen Produkt mit kleinem Formfaktor ein einzelner 32-kHz-Oszillator mit höherer Antriebsstärke den RTC-Prozessor, den BLE-Schlaftakt und einen Audio-DAC oder Codec antreiben und dabei mehrere Quarze und alle zugehörigen Lastkondensatoren ersetzen. Und Sie müssen sich keine Sorgen über Signalintegrität oder Reflexionsprobleme machen, da die Anstiegs-/Abfallzeit dieser 32-kHz-Oszillatoren je nach Gerätefamilie zwischen 10 und 100 ns liegt.
MEMS sind von Natur aus klein und robust und erfordern keine sperrige Verpackung. Da die Innenteile eines MEMS-Oszillators vollständig aus Silizium bestehen, können sie mit den neuesten fortschrittlichen Halbleiter-Packaging-Technologien, einschließlich Chip-Scale-Packaging (CSP), verpackt werden. Ein Designer kann eine Oszillatorkonfiguration in einem CSP auswählen, bei der die Grundfläche nicht größer als die des IC-Oszillatorchips ist und nur 1,5 x 0,8 mm misst – die Grundfläche der kleinsten heute verfügbaren Oszillatoren.
Längere Akkulaufzeit
Die Reduzierung des Stromverbrauchs wird immer wichtiger – und auch programmierbare Timing-Funktionen helfen dabei. Programmable NanoDrive™ ist eine dieser Funktionen. Mit NanoDrive können der Ausgang und der damit verbundene Spannungshub so programmiert werden, dass er zum nachgeschalteten MCU oder PMIC passt, vom vollständigen LVCMOS (Rail-to-Rail) bis hin zu einem Ausgangshub von nur 200 mV, was die Stromaufnahme deutlich senkt. Warum sollte ein vollständiger LVCMOS-Ausgang zum Anschluss an den Oszillator-Erhaltungsschaltkreis eines MCU oder IC mit geringem Stromverbrauch verwendet werden, der eine geringere Spannung verwendet?
Derselbe Oszillator kann die Batterielebensdauer mit einem breiten Betriebsspannungsbereich von nur 1,2 V verlängern, was ideal für batteriebetriebene Anwendungen wie Knopfzellen- oder Super-Cap-Batterie-Backup ist. Und da die Frequenz der SiTime MEMS- Oszillatoren bis auf 1 Hz herunterprogrammiert werden kann, kann der Ausgangslaststrom auf das untere Ende des MCU/IC-Betriebsfrequenzbereichs gesenkt werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren (die Verlustleistung ist proportional zu C*V2*F). wobei C die Kapazität, V die Spannung und F die Frequenz ist. Wenn Sie beispielsweise die Ausgangsfrequenz von 2 MHz auf 500 kHz reduzieren, verringert sich der unbelastete Betriebsstrom um etwa 70 %. Im Gegensatz dazu sind Quarzkristalle bei niedrigeren Frequenzen physikalisch größer, sodass Quarzgeräte mit Frequenzen unter 32,768 kHz sehr selten sind. Die Verwendung von MEMS-Oszillatoren mit niedrigerer Frequenz in Kombination mit niedriger Versorgungsspannung und NanoDrive-Ausgang ist eine wirksame Kombination zur drastischen Reduzierung des Stromverbrauchs.
Eine weitere Möglichkeit, die Systemleistung zu reduzieren, besteht darin, eine Option mit besserer Frequenzstabilität auszuwählen, beispielsweise einen 32-kHz-MEMS- Oszillator mit einer Frequenzstabilität von 75 ppm oder einen 32-kHz-MEMS- TCXO mit einer Stabilität von bis zu ± 3 ppm. Beispielsweise ermöglicht eine bessere Stabilität bei drahtlosen Geräten eine bessere Genauigkeit der Schlafuhr (SCA), die direkt mit der Zeit zusammenhängt, die ein Gerät im Ruhezustand bleiben und Strom sparen kann. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung einer Uhr mit schlechterer Stabilität dazu, dass sich der Funkempfänger früher einschaltet und länger eingeschaltet bleibt, um zu vermeiden, dass Pakete vom Master fehlen, was dazu führt, dass das System mehr Strom verbraucht. Lesen Sie mehr über die Reduzierung des Stromverbrauchs durch bessere Stabilität in diesen Whitepapers: MEMS Timekeeper Extends Standby Life of Mobile Devices und Field Programmable Timing Solutions for Medical Applications .
Eine weitere Möglichkeit, Strom zu sparen, besteht schließlich darin, den Funktionspin 1 zu programmieren, der in SiTime-MHz-Oszillatoren verfügbar ist. Dieser Pin kann entweder auf Ausgangsfreigabe (OE) oder Standby (ST) programmiert werden. In beiden Fällen stoppt das Ziehen von Pin 1 Low die Ausgangsschwingung. Bei OE wird der Ausgabetreiber deaktiviert und in den Hi-Z-Modus versetzt, der Rest des Geräts läuft jedoch weiterhin. Der Stromverbrauch sinkt aufgrund der Inaktivität des Ausgangs. Wenn der OE-Pin wieder auf High gesetzt wird, wird der Ausgang normalerweise in < 1 µs aktiviert. Bei ST werden alle internen Schaltkreise des Geräts abgeschaltet und die Leistung auf einen Standby-Strom reduziert, der typischerweise im Bereich einiger Mikroampere liegt. Wenn ST wieder auf High gesetzt wird, wird die Geräteausgabe innerhalb von etwa 3 bis 10 ms wieder aufgenommen.
Flexibles, programmierbares Timing
Eine kleinere Größe geht bei batteriebetriebenen Produkten mit einer geringeren Leistung einher. MEMS-Timing-Systeme bieten die größte Auswahl an konfigurierbaren Timing-Funktionen zur Reduzierung von Größe und Stromverbrauch. Darüber hinaus verbessern die programmierbare Plattform und die umfangreichen Funktionen der SiTime MEMS-Timing-Systeme die Leistung und beschleunigen die Entwicklungs- und Fertigungszeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Risikos. Schauen Sie sich unseren nächsten Blog an, den dritten in der Reihe, um mehr über die wichtigsten Vorteile der programmierbaren Zeitsteuerung in der Lieferkette zu erfahren. Schauen Sie sich in der Zwischenzeit unseren Teilenummerngenerator an, um die programmierbaren Optionen zu sehen, die Hunderte Millionen Teilenummern generieren.
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Vielen Dank an Jim Holbrook, Director of Customer Engineering, für seine Beiträge zu diesem Artikel.