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「マイクロ」システムタイミングの 5 つの隠れた利点

シリコン MEMS タイミングを使用することには、低電力と高性能から信頼性と回復力まで、多くの利点があります。そしてもちろん小さいサイズもあります。このブログでは、MEMS、それをサポートする回路、およびオールシリコンのアプローチの小型化によってもたらされる利点を検証します。パッケージのサイズに加えて、大きな影響を与えるあまり目立たないマイクロシステムの利点についても説明します。

小型パッケージ

当然のことですが、微小電気機械システムとして、MEMS は本質的に小さいです。シリコンは極端なスケーリングを可能にします。パッケージ化された部品は、共振器単体であっても、制御電子機器 (発振器 IC など) と組み合わせたものであっても、数ミリメートルから数ミリメートルの範囲に及びます。 MEMS 発振器は通常、シリコン混合信号 IC 上に積層されたシリコン MEMS 共振器で構成されます。また、MEMS 発振器の主な要素はシリコンであるため、ウェーハレベルのチップスケール パッケージング (WL-CSP) などの高度な半導体パッケージング技術を適用して、本質的にシリコン チップのサイズの発振器を作成できます。この SEM 画像は、チップを収容するためにプラスチック、セラミック、または金属を必要としない CSP 発振器を示しています。

1. より堅牢

あまり知られていないかもしれない事実をいくつかご紹介します… シリコンはチタン* の 15 倍の強度があります。 MEMS 共振器の移動質量が水晶共振器の最大 3,000 分の 1 であるという事実を加えると、非常に堅牢なデバイスが得られます。この小さな質量により、加速度から MEMS 共振器にかかる力が軽減されます。 (ニュートンの運動の第 2 法則を覚えていますか?) さらに、当社の共振器は、堅いシリコンの中心固定構造で設計され、高度なアナログ技術で制御されるため、機械的な力に対する耐性がさらに高まります。より少ないG力と独自の設計により、衝撃や振動がパフォーマンスを妨げることはありません。ジッターが改善され、周波数ジャンプがなくなり、全体的な信頼性が大幅に向上します。 MEMS タイミングの復元力の詳細については、衝撃と振動に関するペーパーをダウンロードしてください。

2. システム統合の強化

水晶とは異なり、小型 MEMS 共振器は SoC やマルチチップ モジュールに統合できます。 MEMS を発振器 IC と組み合わせて発振器を作るのと同様に、シリコンMEMS 共振器は他のシリコン チップとともにパッケージ化できます。たとえば、MEMS はトランシーバーのモデムに埋め込んだり、マイクロコントローラー内のリアルタイム クロックとして埋め込んだりできます。これらのタイミング統合システムには、外部タイミング基準がないように見えます。外部周波数基準のない無線機は、基準がない無線機と同じように見えます。もちろん、参照は引き続き存在しますが、統合されるだけです。サイズが小さいことに加えて、システムはより信頼性が高く、堅牢で、消費電力が低くなります。

3. 浮遊容量の低減による位相ノイズの低減

ノイズはシステムに大損害を与える可能性があります。では、サイズはどのように役立つのでしょうか?共振器が小さく、センスアンプの近くに配置されている場合、アンプの入力の浮遊容量は減少します。浮遊容量は、その名前が示すとおり、アンプの入力ノイズに直接的かつ比例的に影響を与える不要な容量です。この概念を理解するには、浮遊入力容量を通じて入力電流ノイズに変換される CMOS FET などの高インピーダンス アンプの電圧ノイズ、または浮遊入力を通じて電圧ノイズに変換される低インピーダンス アンプの電流ノイズを考慮してください。キャパシタンス。どちらも静電容量に比例します。この入力ノイズはアンプの出力位相ノイズに反比例します。位相ノイズが低いことは、ほぼすべてのアプリケーションにとって重要です。

4. 拡張回路機能

集積回路が近くにあるため、MEMS 発振器内にさらに多くの機能を組み込み、柔軟性と機能を高めることがますます現実的になっています。現在の MEMS 発振器には通常、内部共振器周波数を目的の出力周波数に変換するフラクショナル N PLL が組み込まれています。これらの PLL は、温度に対して共振器周波数を補償し、初期オフセットを調整します。さらに、PLL は出力を変調して、たとえばスペクトル拡散による EMI の低減や、外部信号を追跡するための周波数の調整を行うことができます。これらの回路は、関連する周波数または制御された位相の複数の出力を提供するように拡張できます。これらのシステムは発振器というよりは周波数シンセサイザーと考えることができます。

5. 熱結合を閉じる

TCXO (温度補償発振器) は、温度を測定して補償することによって高精度の周波数を提供する発振器の一種です。従来の水晶 TCXO はこれを行いますが、水晶共振器と補償測定回路の間に距離があるため、フィードバック ループに遅れが生じます。これにより、大きな温度勾配を持つ現代の電子システムでは問題が発生し、これはさまざまな動的条件によって引き起こされる可能性があります。たとえば、電源管理システムは回路ブロックの電力を循環させます。また、冷却ファンは周囲の温度を急速に下げます。言うまでもなく、砂漠や自動車内で動作する屋外機器など、外部環境によるストレス要因も考えられます。

広範囲かつ急速な温度変動の影響を克服するには、温度をできるだけ共振器の近くで測定する必要があります。ここで、オールシリコン MEMS デバイスの小型サイズと凝集性が特に有益になります。最新世代の MEMS TCXO では、MEMS 共振器、MEMS センサー、高度な補償回路が近接しているため (上図を参照)、これらのデバイスは正確に測定し、微小なµ Kevin の温度変化にほぼ瞬時に応答できます。 DualMEMS™ 設計 (1 つは共振器用、もう 1 つはセンサー用) を使用するこれらの発振器は、特に低ノイズで最も正確な温度補償を提供するように設計されています。詳細については、DualMEMS ペーパーをダウンロードするか、 Precision TCXOをチェックしてください。

より少ないコストでよりムーアを実現

オールシリコン素子の使用により、MEMS タイミングは、より少ないスペースに多くを詰め込むというムーアの法則に従うことが可能になり、時間の経過とともに改善が加速しました。このスケーリングにより、微細加工されたシリコン共振器は、他の機械式 (非シリコン) 共振器と比較して明確な利点が得られます。 MEMS は小型化に加えて、堅牢性の大幅な向上と前例のない統合を可能にしました。さらに、システムのコンパクトさと一体性から生じるパフォーマンスと機能の利点も得られます。機械設計や集積回路の設計、製造能力が進歩するにつれて、これらの利点はさらに大きくなるでしょう。

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*シリコンの極限強度(引張強さ) は 5,000 ～ 9,000 MPa (メガパスカル、圧力の測定値)ですが、チタンは 246 ～ 620 MPa です。

この記事への貢献については、SiTime の創設者兼主任研究員である Aaron Partridge に感謝します。