Jedes elektronische System benötigt ein Zeitmessgerät. Und Kristallresonatoren (XTAL) sind oft die Lösung der Wahl. Allerdings bieten Oszillatoren, die einen Resonator mit einem Oszillator-IC zu einem vollständig integrierten Zeitmessgerät kombinieren, im Vergleich zu XTALs mehrere Vorteile. Diese Vorteile werden durch die MEMS-Timing-Technologie noch erweitert. Systemdesigner müssen nicht länger die Einschränkungen von XTALs umgehen und die Kopfschmerzen und Risiken des Designs mit Kristallen in Kauf nehmen.
1. Plug-and-Play-Oszillatoren vereinfachen das Systemdesign
Oberflächlich betrachtet mag das Oszillatordesign mit Quarzkristallen einfach erscheinen, insbesondere angesichts der Reife dieser Technologie. Bei der Anpassung eines Quarzes an eine Oszillatorschaltung sind jedoch eine Vielzahl von Designparametern zu berücksichtigen. Zu diesen Parametern gehören die Kristallbewegungsimpedanz, der Resonanzmodus, der Antriebspegel und der negative Oszillatorwiderstand, der ein Maß für die Oszillatorverstärkung ist. Darüber hinaus muss bei Kristallen im Parallelresonanzmodus die Lastkapazität berücksichtigt werden. Sie sollte die parasitäre Kapazität der Leiterplatte und möglicherweise die integrierte On-Chip-Kapazität berücksichtigen, die in der Oszillatorschaltung enthalten ist.
Alle diese Parameter müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um einen zuverlässigen Start und Betrieb der Schaltung zu gewährleisten. Da eine Oszillatorschaltung eine enge Anpassung des Resonators an die Oszillatorschaltung erfordert, können Quarzhersteller die Inbetriebnahme des Quarzes nicht garantieren. Im Gegensatz dazu sind Oszillatoren eine vollständig integrierte Lösung. Der Oszillatorhersteller passt den Quarzresonator an die Oszillatorschaltung an und entlastet so den Platinenentwickler von dieser Belastung. Da Matching-Fehler eliminiert werden, wird der Oszillatorstart durch SiTime garantiert. Kurz gesagt, Oszillatoren sind eine Plug-and-Play-Lösung, die das Systemdesign erheblich vereinfacht.
Designprobleme werden durch MEMS-Oszillatoren beseitigt
Kristallbewegungsimpedanz und negativer Oszillatorwiderstand
Die Oszillatorschaltung muss über eine ausreichende Verstärkung und Phasenverschiebung verfügen, um das Barkhausen-Kriterium für die Oszillation zu erfüllen. Von besonderer Bedeutung sind die Bewegungsimpedanz (ESR) des Quarzes und der negative Widerstand (entspricht der Verstärkung) des Oszillators. Wenn die Verstärkung des Oszillators nicht ausreicht, um die Bewegungsimpedanz des Quarzresonators zu überwinden, startet die Schaltung möglicherweise nicht. Diese Probleme werden durch den Einsatz von Oszillatoren beseitigt.
Kristallresonanzmodus, Frequenzabstimmungskapazität und On-Chip-Oszillatorkapazität
Quarzkristalle können entweder im Serien- oder im Parallelresonanzmodus schwingen, sie sind jedoch normalerweise nur für einen dieser beiden Modi kalibriert. Wenn sie für Parallelresonanz kalibriert sind, benötigen sie eine bestimmte Lastkapazität, die normalerweise angegeben wird. Wird jedoch nicht die richtige Kapazität verwendet, kann der Frequenzfehler die Datenblattspezifikationen überschreiten. Der Oszillator-IC kann über eine integrierte Chipkapazität verfügen oder auch nicht, die zusammen mit etwaiger parasitärer Kapazität von den Leiterplattenanschlüssen, Bonddrähten und dem Anschlussrahmen des Oszillator-IC berücksichtigt werden muss, um die beste Frequenzgenauigkeit zu gewährleisten.
Im Gegensatz dazu integrieren MEMS-Oszillatoren den Resonator und den Oszillator/PLL-IC in einem Gehäuse, sodass kein externer Kondensator zum Abstimmen der Resonanzfrequenz erforderlich ist.
Kristallantriebsebene
Es muss darauf geachtet werden, dass die Oszillatorschaltung den Quarzresonator nicht übersteuert. Eine Übersteuerung des Resonators kann zu einer beschleunigten Alterung des Kristallresonators und bei extremen Pegeln zur Beschädigung des Kristalls führen. Im Gegensatz dazu unterliegen MEMS-Resonatoren keiner Alterung.
2. MEMS-Oszillatoren bieten eine viel bessere Qualität und Zuverlässigkeit
Qualität und Zuverlässigkeit sind von entscheidender Bedeutung – nicht nur der Ruf des Unternehmens steht auf dem Spiel, auch Nacharbeiten können kostspielig und zeitaufwändig sein. Darüber hinaus müssen Systeme, die im Freien eingesetzt werden und Umweltbelastungen ausgesetzt sind, besonders robust sein. Quarzresonatoren sind zwar eine ausgereifte Technologie, erfordern jedoch einen recht komplizierten Herstellungsprozess, bei dem jeder einzelne Resonator auf die gewünschte Frequenz abgestimmt wird, normalerweise durch Abtragen der Metallelektrode mit einem Ionenstrahl. Dieser Schritt findet statt, bevor der Kristall eingekapselt wird, und führt dazu, dass der Resonator anfällig für Verunreinigungen ist. Dieser Prozess führt zusammen mit anderen Komplexitäten bei der Quarzherstellung dazu, dass die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von Quarz nur 14 bis 38 Millionen Stunden beträgt. Die defekten Teile pro Million (DPPM) liegen bei bis zu 50 bei den besten Quarzherstellern und bei bis zu 150 bei Tier-2-Quarzlieferanten.
Im Gegensatz zu den speziellen Herstellungsprozessen von Quarzkristallen verwenden Hersteller von MEMS-Oszillatoren standardmäßige Halbleiter-Batch-Modus-Techniken. Dazu gehören die Produktion von Resonatoren und Oszillator-ICs auf Waferebene sowie das Die-Bonding an Standard-Leadframes mit Kunststoffverkapselung. SiTime MEMS-Resonatorchips bestehen aus einer einzigen mechanischen Struktur aus reinem Silizium. Bei der Herstellung von SiTime MEMS wird ein Epi-Seal-Prozess zur Reinigung des Resonators verwendet. Anschließend wird Polysilizium abgeschieden, um die Struktur abzudichten. Die ultrareine, hermetische Vakuumdichtung sorgt dafür, dass die Resonatorstruktur geschützt und frei von Verunreinigungen ist, wodurch Alterungsmechanismen vermieden werden.
Infolgedessen sind DPPM und MTBF von SiTime-Oszillatoren etwa 30-mal besser als Quarzoszillatoren und bieten eine sehr zuverlässige Technologieplattform, die starken Umweltbelastungen standhält und dem Endbenutzer ein qualitativ hochwertiges Produkt liefert.
3. MEMS-Niederfrequenzoszillatoren verbrauchen 65 % weniger Platz auf der Platine
Oszillatoren sind eine vollständig integrierte Lösung und erfordern keine externen Komponenten wie Entkopplungskappen für die Stromversorgung. Der Footprint von SiTime ist mit 1,5 mm x 0,8 mm (1508) kleiner als der kleinste Quarzkristall-Footprint von 1,6 mm x 1,2 mm. Und wenn man die Lastkondensatoren berücksichtigt, die für den 32-kHz-Quarz benötigt werden, ist die gesamte Platinenfläche der XTAL-Lösung mehr als dreimal so groß.
4. Oszillatoren können mehrere Lasten antreiben und so Kosten, Stückliste und Platinenplatz reduzieren
Ein Oszillator ist eine aktive Schaltung mit einem Ausgangstreiber, der je nach Antriebsstärke normalerweise zwei bis drei Lasten antreiben kann. Dadurch kann der Oszillator mehrere Quarze und die zugehörigen Kondensatoren ersetzen, was die Stückliste, die Systemkosten und die Platinenfläche weiter reduziert.
5. MEMS-Oszillatoren sind viel weniger empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen
Elektromagnetische Energie, die in den meisten Systemen üblich ist, kann von freiliegenden Leiterplattenbahnen aufgenommen werden, die den Kristallresonator mit dem IC verbinden, der die Oszillatorschaltung enthält. Dieses Rauschen kann in die Oszillatorschaltung eingekoppelt und an den Ausgang weitergeleitet werden, was möglicherweise zu Jitter und Rauschen im System führt. Integrierte Oszillatoren haben jedoch keine freiliegenden PCB-Verbindungen zwischen dem Resonator und dem Oszillator-IC, und die Bonddrähte oder Kugeln, die den MEMS-Resonator mit dem IC verbinden, sind extrem kurz. Dadurch sind MEMS-Oszillatoren deutlich weniger empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Wie in der folgenden Tabelle und dem Diagramm gezeigt, sind SiTime-Oszillatoren bis zu 11,3 dBm weniger empfindlich (134x auf einer linearen Skala) als Quarzresonatoren.
Dieser Test wurde gemäß der Norm IEC 62132-2 durchgeführt, bei der elektromagnetische Energie in eine transversale elektromagnetische Zelle (TEM) eingespeist wird, in der das zu testende Gerät (DUT) montiert ist.
6. MEMS-Oszillatoren sind viel weniger empfindlich gegenüber Vibrationen
Bei einigen Systemen, die eine sehr stabile Frequenz benötigen, wie z. B. drahtlose Basisstationen und kleine Zellen, kann es aufgrund von Vibrationen zu Systemausfällen und Betriebsunterbrechungen kommen.
MEMS-Oszillatoren sind vibrationsfest, da die Masse eines MEMS-Resonators etwa 1.000 bis 3.000 Mal geringer ist als die Masse eines Quarzresonators. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Beschleunigung, die auf eine MEMS-Struktur ausgeübt wird, beispielsweise durch Stöße oder Vibrationen, zu einer viel geringeren Kraft führt als bei ihrem Quarzäquivalent und daher eine viel geringere Frequenzverschiebung induziert. Die Abbildung auf Seite 5 zeigt, dass SiTime MEMS-Oszillatoren im Vergleich zu Quarzoszillatoren eine um mehr als das Zehnfache geringere (bessere) Vibrationsempfindlichkeit aufweisen. Beachten Sie, dass diese Zahl auf Messungen von Quarzoszillatoren und nicht von passiven Kristallresonatoren basiert, vergleichbare Ergebnisse werden jedoch für Quarzkristallresonatoren erwartet.
7. MEMS-Oszillatoren sind in jeder Frequenz verfügbar
Die Quarzversorgungsinfrastruktur weist mehrere Einschränkungen auf, die zu langen Vorlaufzeiten in der Größenordnung von 12 bis 16 Wochen oder sogar länger führen können. Eine Einschränkung ist die begrenzte Anzahl von Anbietern von Keramikgehäusen. Eine weitere Einschränkung ist die begrenzte Verfügbarkeit von Frequenzoptionen. Bei Quarzprodukten benötigt jede Frequenz einen anderen Kristallschnitt, es sei denn, es wird ein programmierbarer Phasenregelkreis (PLL) verwendet. Daher können die Vorlaufzeiten für nicht standardmäßige Frequenzen sehr lang sein.
Im Gegensatz zu Kristallresonatoren basieren MEMS-Resonatoren auf einer Standard-Resonatorkonfiguration. Die Ausgangsfrequenz von MEMS-Oszillatoren wird durch die Programmierung der PLL auf unterschiedliche Multiplikationswerte erzeugt. Dies ermöglicht einen sehr großen Frequenzbereich mit einer Genauigkeit von sechs Stellen. Darüber hinaus werden Silizium-MEMS-Oszillatoren mit Standard-Halbleiterprozessen und -verpackungen hergestellt. Da die Anbieter von MEMS-Oszillatoren die sehr große Infrastruktur der Halbleiterindustrie nutzen, ist die Kapazität praktisch unbegrenzt.
MEMS-Oszillatormuster können programmiert werden und sind innerhalb eines Tages verfügbar, auch für nicht standardmäßige Frequenzen. Durch die Verwendung des kostengünstigen Time Machine II-Programmierers und der vor Ort programmierbaren Oszillatoren von SiTime können Entwickler Oszillatoren in ihrem Labor sofort programmieren, um ein Gerät mit jeder Frequenz, jeder Versorgungsspannung und jeder Stabilität innerhalb des Betriebsbereichs des Geräts zu erstellen. Die Produktionsvorlaufzeit beträgt nur 6 bis 8 Wochen.
8. Eine Qualifikation für eine ganze Produktfamilie
Die Qualifizierung von Komponenten für Endverwendungs-(System-)Bedingungen kann viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nehmen. Allerdings lässt sich der Qualifizierungsaufwand mit MEMS-Oszillatoren reduzieren. SiTime-Produkte basieren auf einer programmierbaren Plattform, die es jedem Gerät innerhalb einer Basisproduktfamilie ermöglicht, ein breites Spektrum an Frequenzen, Versorgungsspannungen und Stabilitäten zu erzeugen. Wenn beispielsweise Ressourcen in die Qualifizierung eines SiTime-Geräts bei einer bestimmten Ausgangsfrequenz investiert wurden und ein neues Platinendesign eine andere Frequenz erfordert, können die vorhandenen Qualifizierungsdaten auf ein Teil mit einer neuen Frequenz erweitert werden.
Im Gegensatz dazu erfordert jede XTAL-Frequenz einen anderen Quarzrohling. Und wenn ein Design Frequenzen über 60 MHz erfordert, wird oft eine andere Technologie als der Grundmode-Quarz verwendet. Für höhere Frequenzen werden häufig Terzobertonquarze eingesetzt. Dieser Modus kann zusätzliche Herausforderungen mit sich bringen, um einen zuverlässigen Start zu gewährleisten (z. B. höhere Bewegungsimpedanz und andere Oszillatorschaltung als der Grundmodus), was eine Qualifizierung erfordert.
Zusammenfassung
Trotz inhärenter Einschränkungen sind Quarze seit mehreren Jahrzehnten der Standard in der elektronischen Zeitmessung. Die MEMS-Oszillatoren von SiTime überwinden diese Einschränkungen und bieten viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Quarzkristallresonatoren. Designer müssen sich nicht mehr mit den Problemen und Einschränkungen herumschlagen, die mit XTALs einhergehen.
Die 8 wichtigsten Gründe, XTALs durch MEMS-Oszillatoren zu ersetzen, sind:
- Oszillatoren sind „Plug-and-Play“ – viel einfacher zu entwerfen, garantierter Start
- 30-mal bessere Qualität und Zuverlässigkeit – senkt die Kosten und erhöht die Robustheit
- Kleineres Gehäuse und keine/weniger Kappen – reduziert die Leiterplattenfläche
- Treibt mehrere Lasten an und ersetzt 2 bis 3 Quarzkristalle – reduziert Kosten, Stückliste und Leiterplattenfläche
- Bis zu 134-mal geringere Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Energie – robuster
- 10-mal geringere Vibrationsempfindlichkeit – robuster
- In jeder Frequenz verfügbar – sehr kurze Lieferzeiten
- Ein MEMS-Produkt deckt einen großen Frequenzbereich ab – reduzierter Qualifizierungsaufwand