Programmerbare MEMS-oscillatorer oppfyller kravene til pålitelighet, ytelse og kort leveringstid

Systemkonstruktører for installasjoner ment for alt fra forbrukere, bilindustrien, medisinsk industri, kommunikasjon, tingenes Internett (IoT) og foretaket må redegjøre for en rekke krav når det kommer til klokketimingkrav og ytelsesegenskaper, spesielt i tilfeller der det kreves støtte for eldre standarder. Disse omfatter nøyaktighet, presisjon, stabilitet, systemstøy, elektromagnetisk interferens (EMI), strømforbruk, utgangstype (differensiell eller enkel) og ulike profiler med spredt spektrum. Utfordringen for konstruktører er å oppfylle de ulike kravene i et lite format med lavt energiforbruk.

Samtidig må de holde kostnader og leveringstider nede på et minimum, noe som er vanskelig for brukertilpassede konfigurasjoner hvor konstruktører fortsatt må bestille i store produksjonsantall og kan oppleve leveringstider på tre til fem uker, eller muligens lenger. Disse forsinkelsene bremser både prototyping og utvikling, samt den endelige produksjonsplanen for produktet.

For å møte behovet for en mer fleksibel timingløsning med høy ytelse, kan konstruktører bruke programmerbare MEMS-oscillatorer (MEMS – microelectromechanical systems) i stedet for klassiske krystalloscillatorer. Disse oppfyller eller overgår kvalitets- og ytelseskrav, men leveres i standardkonstruksjoner som kan justeres til å samsvare med brukertilpassede krav.

Denne artikkelen tar kort for seg programmerbare MEMS-oscillatorer og beskriver hovedelementene til disse. Den ser deretter på eksempelenheter fra SiTime og viser hvordan de kan velges og brukes til å oppfylle timingkravene for et bredt spekter av bruksområder, og samtidig redusere leveringstider og totalkostnader.

Derfor brukes programmerbare MEMS-oscillatorer.

Frem til MEMS-oscillatorer dukket opp på 2000-tallet, hadde kvartskrystallresonatorer dominert kretstiming. MEMS-oscillatorer støttet rask innovasjon og bruken av silisiumprosesser, og ble derfor en foretrukket løsning der konstruksjonskravene la vekt på kvalitet, pålitelighet og robusthet. Selv om kvartsoscillatorer fortsatt er et godt og prisgunstig alternativ for mange bruksområder, kan de være litt mer komplekse å konstruere sammenlignet med MEMS-enheter som er svært integrerte og programmerbare. For eksempel må konstruktører som arbeider med kvartsoscillatorer velge riktig resonator og lastkondensator for å unngå problemer som kaldstartsfeil og uoverensstemmende krystaller, samtidig som de arbeider for å minimere EMI.

Plug-and-play-funksjonaliteten til programmerbare MEMS-enheter unngår eller reduserer i stor grad disse komplikasjonene. Den enkle, standardiserte produksjonsprosessen til disse, kombinert med den lille størrelsen, gir iboende ytelse, pålitelighet og robusthet. Bruken av silisiumbaserte MEMS-prosesser med høyt volum minimerer for eksempel mulighetene for forurensning, noe som resulterer i færre defekte deler per million (DPPM – defective parts per million). Dette reduserer kostnader, men noe som er like viktig for konstruktører er at prosessen forbedrer kvalitet og pålitelighet, noe som øker gjennomsnittstiden mellom feil (MTBF – mean time between failure). Dette gjelder på tvers av ekstreme omgivelsestemperaturer, fra –55 ˚C til +125 ˚C.

Når det gjelder størrelse, betyr MEMS-oscillatorenes lille masse – en standard MEMS-oscillator på 32 kilohertz (kHz) kan leveres i en chip-skala-pakke (CSP – chip scale package) med samme størrelse som et stifthode – at de er ekstremt robuste i møte med slag og vibrasjoner. Programmerbare MEMS-oscillatorer har heller ingen eksponerte kretskorttilkoblinger mellom resonatoren og oscillatorkretsen, og fordi oscillatorkretsene er optimalisert for forhold med elektrisk støy, er de mye mindre følsomme for EMI. Konstruksjonen og utformingen deres er slik at de også er mindre følsomme for kortstøy.

Elementer i en programmerbar MEMS-oscillator

Den programmerbare MEMS-enheten omfatter en MEMS-resonator med en CMOS-IC. Denne CMOS IC-en inneholder den analoge oscillatorstyringen og drivkretsene for å generere den nødvendige klokkeutgangen (CLK – clock) (figur 1). Kretsene omfatter vanligvis en fraksjonert N-fasereguleringssløyfe (PLL – phase lock loop) og tilknyttede frekvensdelere, drivere, spenningsregulatorer og temperaturkompensasjon, samt kretser for å drive MEMS-resonatoren gjennom elektrostatisk eksitasjon. OTP-minnet (OTP –one-time-programmable) vist på figur 1 brukes til å lagre de programmerte parameterne.

Figur 1: Programmerbarheten til MEMS-oscillatorer stammer fra bruken av konfigurerbare analoge oscillatorkretser i en CMOS-IC pakket med en MEMS-resonator, vist til venstre (tre forskjellige typer, valgt basert på konstruksjonen). (Bildekilde: SiTime)

I motsetning til kvartskrystalloscillatorer, der forskjellige deler velges eller produseres basert på påkrevd CLK, produseres programmerbare MEMS-oscillatorer i partier med tomme enheter som er feltprogrammerbare for de påkrevde utgangsfrekvensene. Andre programmerbare parametere, i tillegg til frekvens, omfatter forsyningsspenning, frekvensstabilitet og stignings-/falltider, med flere (figur 2).

Figur 2: Det brede spekteret av programmerbare MEMS-timingalternativer gir konstruktører fleksibilitet til å effektivt og kostnadseffektivt dekke behovene til flere generasjoner av systemer på tvers av en rekke bruksområder. (Bildekilde: SiTime)

Denne parametriske finjusteringen gjør det mulig for konstruktører å programmere utgangsfrekvensen slik at den samsvarer nøyaktig med IC-er på et senere stadium, for eksempel mikrokontrollere, mikroprosessorer eller system på en brikke (SoC – system-on-chip). Denne fleksibiliteten, som også eliminerer behovet for eksterne buffere, frekvensdelere eller PLL-er for frekvensoversettelse, reduserer i stor grad kompleksiteten og utviklingstiden.

Selv om programmerbare MEMS-oscillatorer reduserer byrden til en konstruktør betraktelig, forsvinner ikke denne byrden helt. I stedet flyttes den til et tidligere stadium, til enhetsleverandøren, som konstruktørene er avhengige av for ekspertisen innen MEMS, programmerbar analog og systemer for å sikre en pålitelig og stabil løsning som er lett å programmere.

Programmerbare MEMS-løsninger

Selv om det er fleksibelt, finnes det ikke noe alternativ som dekker alle mulige bruksområder på tvers av alle frekvenser. Likevel har programmerbare MEMS-oscillatorprosesser og -teknologi blitt mestret såpass at de kan komme veldig nær. For eksempel er SiT3521-oscillatorene (figur 3) og SiT3522-oscillatorene fra SiTime sin Elite Platform i stand til å programmere i systemet (ISP – in-system programmability) ved å bruke I2C/SPI-grensesnittet sitt i området fra henholdsvis 1 megahertz (MHz) til 340 MHz og 340 MHz til 725 MHz, i trinn på 1 hertz (Hz).

Figur 3: SiT3521 (på bildet) har et digitalt I2C/SPI-grensesnitt (nederst til høyre) og kan programmeres fra 1 MHz til 340 MHz. Søsterenheten SiT3522 er programmerbar fra 340 MHz til 725 MHz. (Bildekilde: DigiKey)

Som digitalt styrte oscillatorer (DCO – digitally controlled oscillator) trenger ikke enhetene en digital-til-analog-omformer (DAC – digital-to-analog converter) for å drive styringsinngangen, og de er ikke underlagt analog støykobling.

Fordi frekvenstrekking oppnås gjennom en fraksjonell tilbakekoblingsdeler i PLL-en, er det ingen trekk-ulinearitet. Bruken av en fraksjonell tilbakekoblingsdeler betyr også at trekkbarheten ikke er begrenset, noe som kan være tilfellet med en spenningsstyrt kvartskrystalloscillator. Dette gjør det mulig for enheter å ha 16 områdealternativer for frekvenstrekking mellom 6,25 deler per million (ppm) til 3200 ppm. Begge enhetene har svært lav fasejitter på ~ 0,2 pikosekunder (ps) og spesifiserte programmerbare trekkområder fra ±25 ppm opptil ±3200 ppm. Frekvensoppløsningen er så lav som 5 deler per trillion (ppt – parts per trillion), og de støtter tre signaltyper: LVPECL, LVDS og HCSL.

Fleksibiliteten gjør enhetene egnet for bruksområder som nettverk, serverlagring, radiosending, telekommunikasjon og testing og måling. Her krever behovet for bakoverkompatibilitet med eldre standarder, for eksempel for digital videooverføring eller Ethernet, muligheten til å imøtekomme flere frekvenser, samt ulike krav til jitter og fasestøy.

Bruk av de programmerbare MEMS-oscillatorene SiT3521 og SiT3522

SiT3521 og SiT3522 har to moduser under drift: «enhver frekvens» og DCO. I «enhver frekvens»-modus kan konstruktører omprogrammere enheten til en hvilken som helst av de støttede frekvensene. For å oppnå dette må de først beregne post-deler-, tilbakekoblings- og mDriver-verdiene, og deretter skrive dem til enheten (figur 4).

Figur 4: Med referanse til et blokkskjema på høyt nivå over I2C/SPI-oscillatoren, starter programmeringen av både SiT3521 og SiT3522 med beregningen av post-deler-, tilbakekoblingsdeler- og mDriver-verdiene, der den ene brukerinngangsverdien for disse beregningene er målutgangsfrekvensen. (Bildekilde: SiTime)

Den eneste inngangsverdien fra konstruktøren som kreves for disse beregningene, er den nødvendige utgangsfrekvensen. De andre inngangsverdiene er delerens tillatte områder. Vær oppmerksom på at når en ny verdi er programmert, deaktiveres utgangen en kort periode, så konstruktøren må redegjøre for dette.

For digital styring er prosessen enklere. Enheten forsyner strøm opptil nominell driftsfrekvens og trekkområde, i henhold til enhetens ordrekode. Fra dette punktet kan både trekkområdet og utgangsfrekvensen angis ved å skrive til deres respektive styringsregistre (øverst til venstre, figur 4). Det er imidlertid noen nyanser å ta hensyn til. Den maksimale endringen i utgangsfrekvens begrenses for eksempel av trekkområdegrensene. Trekkområdet er spesifisert som halvparten av topp-til-topp-avviket, så et avvik på 200 ppm fra topp-til-topp er spesifisert som et trekkområde på ±100 ppm.

Etter å ha valgt ønsket trekkområde fra listen over 16 alternativer (mellom ±6,25 ppm til ±3200 ppm, nevnt tidligere), lastes trekkområdet til det respektive styringsregisteret (Reg2[3:0], figur 4). Trekkområdet påvirker frekvenspresisjonen, i henhold til tabell 1.

For å endre utgangsfrekvensen skriver konstruktøren to kontrollord: først det minst signifikante ordet (LSW) til Reg0[15:0], etterfulgt av det mest signifikante ordet (MSW) til Reg0[15:0]. Etter at MSW er skrevet, endrer enheten tilbakekoblingsdelerverdien for å imøtekomme den nye frekvensen. Dette gjøres innenfor tidsrammen Tdelay (figur 5).

Figur 5: I DCO-modus initieres utgangsfrekvensendringen etter at MSW er skrevet, og er ferdig når enheten har endret tilbakekoblingsverdien (under Tdelay) og stabiliserer seg (Tsettle) til 1 % av den nye verdien (F1). (Bildekilde: SiTime)

Etter at delerverdien er angitt, angis utgangen til innenfor 1 % av den endelige frekvensverdien. I motsetning til «enhver frekvens»-modusen, deaktiveres ikke utgangen under frekvensendringer. Hvis styringsfunksjonen for programvarens utgangsaktivering (OE – output enable) er aktivert, kan imidlertid konstruktøren velge å deaktivere utgangen manuelt i løpet av frekvensendringsperioden.

For å bli komfortabel med enhetene og sikre at de oppfyller kravene til installasjonen, kan konstruktører eksperimentere med dem ved å bruke evalueringskortet SiT6712EB. Den støtter både SiT3521 og SiT3522 med differensielle signalutganger i QFN-pakken med 10 pinner og muliggjør evaluering av alle aspekter av enhetene, inkludert signalintegritet, fasestøy, fasejitter og enkel omprogrammering. Den støtter LVPECL-, LVDS- og HCSL-utgangssignaltyper og inkluderer probepunkter for utgangsfrekvensmålinger.

Det er viktig å påpeke her at dette er differensielle oscillatorer med stignings-/falltider som ligger under nanosekundet. For å sikre nøyaktige målinger er det viktig å bruke den beste målepraksisen, kombinert med en aktiv probe av høy kvalitet (figur 6).

Figur 6: Når du bruker evalueringskortet SiT6712EB, er det viktig å bruke den beste praksisen for høyhastighetsmåling, inkludert bruk av en aktiv probe av høy kvalitet og egnede differensialprobehoder med høy hastighet. (Bildekilde: SiTime)

For å oppnå best mulig resultat bør det brukes en aktiv probe med en båndbredde på >4 gigahertz (GHz) og en lastkapasitans på <1 pikofarad (pF), med samsvarende differensialprobehoder med høy hastighet. Det medfølgende oscilloskopet bør ha en båndbredde på 4 GHz eller høyere, med innganger på 50 ohm (Ω).

Bruksområde-orienterte, programmerbare oscillatorer som er hyllevare

Det er selvfølgelig mange serier med programmerbare MEMS-oscillatorer, og selv om noen er egnet for nettverk, radiosending og kommunikasjon, kan andre ha egenskaper som gjør dem egnet for bilindustrien, for eksempel AEC-Q100 qualification, eller industrielle, som legger vekt på funksjoner som høye driftstemperaturområder. SiT1602BI-33-33S-33.333330 har for eksempel en driftstemperatur på –40 ˚C til +85 ˚C. 33.333330 angir den nominelle frekvensen i megahertz.

Det er også ulike pakke- og spenningsalternativer tilgjengelige som er egnet for bestemte bruksområder. SiT1532 er for eksempel en lavspennings CMOS (LVCMOS)-oscillator på 1,2 volt i en UFBGA-pakke. med en fysisk størrelse på 1,54 millimeter (mm) x 0,84 mm og en høyde på 0,60 mm (figur 7). Den retter seg mot mobil- og IoT-installasjoner og har en nominell frekvens på 32,768 kHz.

Figur 7: SiT1532 er en LVCMOS programmerbar MEMS-oscillator i en UFBGA-pakke for IoT- og mobilinstallasjoner. (Bildekilde: SiTime)

For bilindustrien kombinerer den 24 MHz-oscillatoren SiT8924AE et svært høyt driftstemperaturområde (–55 ˚C til ~125 ˚C) og en liten SMD-pakke (SMD – surface mount device) uten ledninger, med en størrelse på 2,50 mm x 2,00 mm og en høyde på 0,80 mm.

Selv om disse programmerbare MEMS-enhetene, som består dusinvis av serier, er lett tilgjengelige som hyllevare i nominelle frekvenser, har alle den samme opprinnelige formen: de er tomme enheter. De er hovedsakelig «feltprogrammerbare» oscillatorer som startet som tomme enheter som deretter ble forhåndsprogrammert på fabrikken for ofte brukte frekvenser, og disse er på lager hos DigiKey.

Rask forsendelse av brukertilpassede oscillatorer

Det å ha et bredt utvalg av oscillatorer tilgjengelig gjør det mulig å få ofte brukte timingkretser til markedet raskt, men ikke alle konstruktører ønsker å drive med programmering av oscillatoren, til tross for at det er ganske enkelt, og i visse tilfeller er det også behov for brukertilpassede konfigurasjoner. Historisk sett ville sistnevnte ha betydd en leveringstid på tre til fem uker for den brukertilpassede konfigurasjonen som skal sendes fra fabrikken. DigiKey taklet dette problemet ved å installere en automatisert programmeringsmaskin – som er dedikert til SiTime-deler – i sitt eget lagerhus (figur 8).

Figur 8: Digi-Keys automatiserte programmeringsmaskin, dedikert til SiTime-oscillatorer, plasserer her en tom oscillator i programmeringsuttaket sitt. (Bildekilde: DigiKey)

Maskinen har for øyeblikket åtte uttak og kan programmere opptil 1500 enheter i timen, noe som reduserer leveringstiden for brukertilpassede konfigurasjoner til 24 til 48 timer, uten noen minimumsmengder.

For å dra nytte av denne funksjonen, starter konstruktører på delen SiTime Programmable Oscillators på Digi-Keys TechForum. Når en forespørsel er sendt, sendes en e-post umiddelbart til en av teknikerne hos DigiKey. De vil bekrefte det nye delenummeret og få det lagt til på DigiKey-nettstedet. Selv om nettstedet vil veilede konstruktører gjennom ordreprosessen, kan kjennskap til SiTime-nomenklaturen for oscillatorkonfigurasjonene være nyttig (Figur 9).

Figur 9: Her vises konfigurasjonsnomenklaturen som vanligvis brukes for SiTime sine programmerbare MEMS-oscillatorer, i dette tilfellet for SiT2001-grunnmodellen. (Bildekilde: SiTime)

Konklusjon

Konstruktører av systemer for en rekke bruksområder trenger fleksible løsninger for kretstiming for å kunne oppfylle nåværende – samt eldre og framtidige – systemspesifikasjoner og -krav. I stedet for flere krystall- eller MEMS-oscillatorer og den tilknyttede krets- og konstruksjonskompleksiteten, kan konstruktører spare plass, tid og kostnader ved å velge programmerbare MEMS-enheter som allerede kan oppfylle mange av kravene.

Hvis brukertilpassede konstruksjoner er påkrevd, trenger ikke konstruktører vente tre til fem uker på produksjonsforsendelse fra fabrikken. Ved å bruke en programmeringsmaskin dedikert til SiTime-enheter, kan DigiKey begynne å sende tilpassede konfigurasjoner i løpet av 24 til 48 timer.