Programmeerbare MEMS-oscillators voldoen aan eisen van betrouwbaarheid, prestaties en korte doorlooptijd

Systeemontwerpers voor toepassingen variërend van consumenten-, automobiel-, industriële, medische, communicatie-, het Internet of Things (IoT) en het bedrijfsleven moeten rekening houden met een veelheid aan kloktimingvereisten en prestatiekenmerken, met name wanneer ondersteuning van legacy standaarden vereist is. Deze omvatten nauwkeurigheid, precisie, stabiliteit, systeemruis, elektromagnetische interferentie (EMI), stroomverbruik, type uitgang (differentieel of enkelvoudig), en diverse spread spectrum-profielen. De uitdaging voor ontwerpers is om aan de verschillende eisen te voldoen in een kleine vormfactor met een laag stroomverbruik.

Tegelijkertijd moeten zij ook de kosten en de leveringstermijnen tot een minimum beperken, wat moeilijk is voor aangepaste configuraties waarbij ontwerpers nog steeds productiehoeveelheden moeten bestellen en te maken kunnen krijgen met levertijden van drie tot vijf weken, of mogelijk langer. Deze vertragingen vertragen zowel de prototyping en ontwikkeling als het productieschema van het eindproduct.

Om tegemoet te komen aan de behoefte aan een meer flexibele timingoplossing met hoge prestaties, kunnen ontwerpers programmeerbare microelectromechanical systems (MEMS) oscillators gebruiken in plaats van klassieke kristaloscillators. Deze voldoen aan of overtreffen de kwaliteits- en prestatie-eisen, maar worden geleverd in standaardstructuren die kunnen worden afgestemd op aangepaste eisen.

Dit artikel geeft een korte inleiding tot programmeerbare MEMS-oscillators en beschrijft de belangrijkste elementen ervan. Vervolgens wordt ingegaan op voorbeeldapparatuur van SiTime en wordt getoond hoe deze kan worden geselecteerd en gebruikt om te voldoen aan de timingvereisten voor een breed scala van toepassingen, terwijl de doorlooptijd wordt verkort en de totale kosten worden verlaagd.

Waarom programmeerbare MEMS-oscillators gebruiken?

Tot de opkomst van MEMS-oscillators in de jaren 2000 domineerden kwartskristalresonators de timing in circuits. Dankzij snelle innovatie en het gebruik van siliciumprocédés zijn MEMS-oscillators echter een voorkeursoplossing geworden wanneer de ontwerpvereisten de nadruk legden op kwaliteit, betrouwbaarheid en robuustheid. Hoewel quartzoscillatoren voor veel toepassingen een goede goedkope optie blijven, kunnen zij in vergelijking met sterk geïntegreerde en programmeerbare MEMS-apparaten iets complexer zijn om in te ontwerpen. Ontwerpers die bijvoorbeeld met kwartsoscillators werken, moeten de juiste resonator en belastingscondensator kiezen om problemen als koude start en slecht op elkaar afgestemde kristallen te voorkomen, terwijl zij er ook naar moeten streven EMI tot een minimum te beperken.

De plug-and-play bruikbaarheid van programmeerbare MEMS-apparaten vermijdt deze complicaties of vermindert ze aanzienlijk. Ook hun eenvoudige, gestandaardiseerde fabricageproces, in combinatie met hun geringe afmetingen, zorgt voor inherente prestaties, betrouwbaarheid en veerkracht. Zo minimaliseert het gebruik van op silicium gebaseerde MEMS-fabricageprocessen in grote volumes de kans op verontreiniging, wat resulteert in minder defecte onderdelen per miljoen (DPPM). Dit verlaagt de kosten, maar wat voor ontwerpers net zo belangrijk is, is dat het proces de kwaliteit en betrouwbaarheid verhoogt, waardoor de gemiddelde tijd tussen defecten (MTBF) toeneemt. Dit geldt voor alle extreme omgevingstemperaturen, van -55 ˚C tot +125 ˚C.

Wat de afmetingen betreft, betekent de kleine massa van MEMS-oscillators - een standaard MEMS-oscillator van 32 kilohertz (kHz) kan worden geleverd in een chipschaalpakket (CSP) ter grootte van een speldenknop - dat zij uiterst robuust zijn ten aanzien van schokken en trillingen. Programmeerbare MEMS-oscillators hebben ook geen blootliggende printplaatverbindingen tussen de resonator en de oscillatorschakeling, en omdat de oscillatorschakelingen zijn geoptimaliseerd voor elektrisch lawaaierige omstandigheden, zijn zij veel minder gevoelig voor EMI. Hun structuur en ontwerp zijn van dien aard dat zij ook minder gevoelig zijn voor boordlawaai.

Elementen van een programmeerbare MEMS-oscillator

Het programmeerbare MEMS-apparaat bestaat uit een MEMS-resonator verpakt in een CMOS IC. Dit CMOS IC bevat de analoge oscillatorbesturing en het aandrijfcircuit om de vereiste klok (CLK) te genereren (Afbeelding 1). De schakelingen omvatten gewoonlijk een fractionele-N fasevergrendelingslus (PLL) en bijbehorende delers, stuurprogramma's, spanningsregelaars en temperatuurcompensatie, alsook schakelingen om de MEMS-resonator aan te drijven door elektrostatische opwekking. Het in Afbeelding 1 getoonde eenmalig programmeerbare (OTP) geheugen wordt gebruikt om de geprogrammeerde parameters op te slaan.

Afbeelding 1: De programmeerbaarheid van MEMS-oscillators vloeit voort uit het gebruik van configureerbare analoge oscillatorcircuits in een CMOS IC verpakt met een MEMS-resonator, links afgebeeld (drie verschillende types, gekozen op basis van de toepassing). (Bron afbeelding: SiTime)

In tegenstelling tot kwartskristaloscillators, waar verschillende onderdelen worden gekozen of vervaardigd op basis van de vereiste CLK, worden programmeerbare MEMS-oscillators vervaardigd in batches van blanco's die ter plaatse kunnen worden geprogrammeerd voor de vereiste uitgangsfrequenties. Andere programmeerbare parameters zijn, naast de frequentie, onder meer de voedingsspanning, de frequentiestabiliteit en de stijg-/valtijden (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het brede scala aan programmeerbare MEMS-timingopties biedt ontwerpers de flexibiliteit om efficiënt en kosteneffectief te voldoen aan de behoeften van meerdere generaties systemen in een reeks toepassingen. (Bron afbeelding: SiTime)

Dankzij deze parametrische fijnafstelling kan een ontwerper de uitgangsfrequentie programmeren om deze exact af te stemmen op downstream IC's, zoals microcontrollers, microprocessors of een system-on-chip (SoC). Deze flexibiliteit, die ook de noodzaak wegneemt van externe buffers, frequentieverdelers of PLL's voor frequentievertaling, vermindert de complexiteit en de ontwikkelingstijd aanzienlijk.

Hoewel programmeerbare MEMS-oscillators de last voor de ontwerper aanzienlijk verlichten, verdwijnt die last niet. In plaats daarvan verschuift het stroomopwaarts naar de leverancier van de apparatuur, waarvan ontwerpers afhankelijk zijn om de MEMS-, programmeerbare analoge en systeemexpertise te bezitten om een betrouwbare en stabiele oplossing te garanderen die gemakkelijk te programmeren is.

Programmeerbare MEMS-oplossingen

Hoewel flexibel, is er geen "één maat voor iedereen"-optie om alle mogelijke toepassingen op alle frequenties te dekken. De programmeerbare MEMS-oscillatorprocessen en -technologie zijn echter zo ver gevorderd dat zij zeer dichtbij kunnen komen. De SiT3521 (Afbeelding 3) en SiT3522 oscillatorq van SiTime's Elite Platform zijn bijvoorbeeld in staat tot in-system programmability (ISP) met behulp van hun I2C/SPI-interface in een bereik van respectievelijk 1 megahertz (MHz) tot 340 MHz en 340 MHz tot 725 MHz, in stappen van 1 hertz (Hz).

Afbeelding 3: De SiT3521 (afgebeeld) heeft een digitale I2C/SPI-interface (rechtsonder) en is programmeerbaar van 1 MHz tot 340 MHz. Het zusterapparaat, de SiT3522, is programmeerbaar van 340 MHz tot 725 MHz. (Bron afbeelding: DigiKey)

Als digitally controlled oscillators (DCO's) hebben de apparaten geen digitaal-naar-analoogconvertor (DAC) nodig om de stuuringang aan te sturen, en zijn zij niet onderhevig aan analoge ruiskoppeling.

Omdat het trekken van de frequentie gebeurt via een fractionele feedback-deler van de PLL, is er ook geen pull-onlineariteit. Het gebruik van een fractionele terugkoppelingsdeler betekent ook dat de pullabiliteit niet beperkt is, zoals dat het geval kan zijn bij een spanningsgestuurde kwartskristaloscillator. Hierdoor kunnen de apparaten 16 frequentie-rekbereikopties hebben tussen 6,25 deeltjes per miljoen (ppm) tot 3200 ppm. Beide apparaten hebben een ultralage fasejitter van ~0,2 picoseconden (ps) en gespecificeerde programmeerbare pull-bereiken van ±25 ppm tot ±3200 ppm. Hun frequentie pull resolutie is zo laag als 5 deeltjes per triljoen (ppt), en zij ondersteunen drie signaling types: LVPECL, LVDS, en HCSL.

Door hun flexibiliteit zijn de apparaten geschikt voor toepassingen als netwerken, serveropslag, omroep, telecommunicatie, en test en meting. Hier vereist de noodzaak van achterwaartse compatibiliteit met oudere normen, zoals voor digitale videotransmissie of Ethernet, de mogelijkheid om meerdere frequenties te ontvangen, evenals verschillende jitter- en faseruisvereisten.

Gebruik van de SiT3521 en SiT3522 programmeerbare MEMS-oscillators

In bedrijf hebben de SiT3521 en SiT3522 twee modi: "elke frequentie" en DCO. In elke frequentiemodus kunnen ontwerpers het toestel herprogrammeren op elk van de ondersteunde frequenties. Om dit te bereiken moeten zij eerst de post-deler, feedback en mDriver-waarden berekenen, en deze vervolgens naar het apparaat schrijven (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: In een blokschema op hoog niveau van de I2C/SPI-oscillator begint de programmering van zowel de SiT3521 als de SiT3522 met de berekening van de post-deler-, feedback-deler- en mDriver-waarden, waarbij de enige door de gebruiker ingevoerde waarde voor deze berekeningen de beoogde uitgangsfrequentie is. (Bron afbeelding: SiTime)

De enige invoerwaarde van de ontwerper die voor deze berekeningen nodig is, is de vereiste uitgangsfrequentie. De andere ingangswaarden zijn de toegestane bereiken van de deler. Merk op dat wanneer een nieuwe waarde wordt geprogrammeerd, de uitgang korte tijd wordt uitgeschakeld, dus de ontwerper moet daar rekening mee houden.

Voor digitale besturing is het proces eenvoudiger. Het apparaat wordt gevoed tot de nominale werkfrequentie en het trekbereik, volgens de bestelcode van het apparaat. Vanaf dat punt kunnen zowel het trekbereik als de uitgangsfrequentie worden ingesteld door naar hun respectieve controleregisters te schrijven (linksboven, Afbeelding 4). Er zijn echter enkele nuances waarmee rekening moet worden gehouden. De maximale uitgangsfrequentieverandering wordt bijvoorbeeld begrensd door de trekbereiklimieten. Het trekbereik wordt gespecificeerd als de helft van de piek-tot-piekafwijking, dus een afwijking van 200 ppm piek-tot-piek wordt gespecificeerd als een trekbereik van ±100 ppm.

Nadat het gewenste pull-bereik is gekozen uit de lijst van 16 opties (tussen ±6,25 ppm en ±3200 ppm, zoals eerder vermeld), wordt het pull-bereik in het desbetreffende controleregister geladen (Reg2[3:0], Afbeelding 4). Het trekbereik beïnvloedt de frequentieprecisie, volgens Tabel 1.

Om de uitgangsfrequentie te veranderen, schrijft de ontwerper twee regelwoorden: eerst het minst significante woord (LSW) naar Reg0[15:0], gevolgd door het meest significante woord (MSW) naar Reg0[15:0]. Nadat de MSW is geschreven, verandert het apparaat de waarde van de terugkoppelingsdeler om de nieuwe frequentie aan te passen. Dit gebeurt tijdens het tijdsbestek Tdelay (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: In DCO-modus wordt de wijziging van de uitgangsfrequentie gestart na het schrijven van de MSW, en beëindigd nadat het apparaat zijn feedbackwaarde heeft gewijzigd (tijdens Tdelay) en zich heeft ingesteld (Tsettle) op 1% van zijn nieuwe waarde (F1). (Bron afbeelding: SiTime)

Nadat de delerwaarde is ingesteld, wordt de uitgang ingesteld op een waarde binnen 1% van de uiteindelijke frequentiewaarde. In tegenstelling tot de "om het even welke frequentie"-modus, wordt de output niet uitgeschakeld tijdens frequentiewisselingen. Als de software-output enable (OE) besturingsfunctie echter is ingeschakeld, kan de ontwerper ervoor kiezen de output handmatig uit te schakelen tijdens de frequentie-omschakelperiode.

Om vertrouwd te raken met de apparaten en ervoor te zorgen dat ze aan de toepassingseisen voldoen, kunnen ontwerpers ermee experimenteren met het SiT6712EB-evaluatiebord. Hij ondersteunt zowel de SiT3521 als de SiT3522 met differentiële signaaluitgangen in de 10-pens QFN-behuizing en maakt evaluatie mogelijk van alle aspecten van de toestellen, met inbegrip van signaalintegriteit, faseruis, fasejitter en herprogrammeringsgemak. Hij ondersteunt LVPECL-, LVDS- en HCSL-uitgangssignaaltypen en bevat meetpunten voor uitgangsfrequentiemetingen.

Het is belangrijk erop te wijzen dat dit differentiële oscillatoren zijn met stijg-/valtijden van sub-nanoseconde. Voor nauwkeurige metingen is het belangrijk de beste meetpraktijken toe te passen, samen met een actieve sonde van hoge kwaliteit (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bij gebruik van het SiT6712EB-evaluatiebord is het belangrijk om de beste praktijken voor hogesnelheidsmetingen toe te passen, waaronder het gebruik van een actieve sonde van hoge kwaliteit en geschikte differentiële hogesnelheidssondekoppen. (Bron afbeelding: SiTime)

Voor de beste resultaten moet een actieve probe met een bandbreedte van >4 gigahertz (GHz) en een belastingscapaciteit van <1 picofarad (pF) worden gebruikt, met bijpassende differentiële hogesnelheidssondekoppen. De bijbehorende oscilloscoop moet een bandbreedte hebben van 4 GHz of hoger, met 50 ohm (Ω) ingangen.

Toepassingsgerichte, kant-en-klare programmeerbare oscillators

Er zijn natuurlijk vele series programmeerbare MEMS-oscillators, en terwijl sommige geschikt zijn voor netwerken, omroep en communicatie, kunnen andere kenmerken hebben die hen geschikt maken voor de automobielindustrie, zoals AEC-Q100-kwalificatie, of de industrie, met de nadruk op kenmerken zoals een hoog bedrijfstemperatuurbereik. De SiT1602BI-33S-33.333330 heeft bijvoorbeeld een bedrijfstemperatuur van -40 ˚C tot +85 ˚C; 33,333330 geeft de nominale frequentie in megahertz aan.

Er zijn ook pakket- en spanningsopties, die geschikt zijn voor een bepaalde toepassing. De SiT1532 is bijvoorbeeld een laagspannings-CMOS-oscillator (LVCMOS) van 1,2 volt in een UFBGA-pakket met een voetafdruk van 1,54 mm x 0,84 mm en een hoogte van 0,60 mm (Afbeelding 7). Het is gericht op mobiele en IoT-toepassingen en heeft een nominale frequentie van 32,768 kHz.

Afbeelding 7: De SiT1532 is een LVCMOS programmeerbare MEMS oscillator in een UFBGA-pakket voor IoT en mobiele toepassingen. (Bron afbeelding: SiTime)

Voor de auto-industrie combineert de SiT8924AE 24 MHz oscillator een zeer hoog bedrijfstemperatuurbereik (-55 ˚C tot ~125 ˚C) met een klein, no-lead SMD-pakket (surface mount device) met een voetafdruk van 2,50 mm x 2,00 mm, en een hoogte van 0,80 mm.

Hoewel deze programmeerbare MEMS-apparaten, die tientallen series omvatten, in hun nominale frequenties gemakkelijk uit de handel verkrijgbaar zijn, hebben zij alle dezelfde oorspronkelijke vorm: blanco's. Het zijn in wezen "veldprogrammeerbare" oscillators die begonnen zijn als blanks die vervolgens in de fabriek werden voorgeprogrammeerd voor veel voorkomende frequenties en door DigiKey in voorraad werden gehouden.

Snelle verzending van aangepaste oscillators

Het beschikbaar hebben van een grote verscheidenheid aan oscillators helpt om algemeen vereiste timingcircuits snel op de markt te krijgen, maar niet iedere ontwerper wil zich bezighouden met het programmeren van de oscillator, ook al is dat vrij eenvoudig, en in bepaalde gevallen kunnen zij ook aangepaste configuraties nodig hebben. Historisch gezien zou dit een levertijd van drie tot vijf weken hebben betekend voor de aangepaste configuratie om vanuit de fabriek te worden verzonden. DigiKey heeft dit probleem aangepakt door in zijn eigen magazijn een automatische programmeermachine te installeren die speciaal voor SiTime-onderdelen is ontworpen (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: De automatische programmeermachine van DigiKey, speciaal voor SiTime-oscillators, plaatst een lege oscillator in de programmeeraansluiting. (Bron afbeelding: DigiKey)

De machine heeft momenteel acht aansluitingen en kan tot 1500 eenheden per uur programmeren, waardoor de doorlooptijd voor aangepaste configuraties wordt teruggebracht tot 24 à 48 uur, zonder minimumaantallen.

Om van deze mogelijkheid te profiteren, beginnen ontwerpers bij de sectie SiTime programmeerbare oscillators op DigiKey's TechForum. Zodra een aanvraag is ingediend, wordt onmiddellijk een e-mail gestuurd naar een van de technici van DigiKey. Zij zullen het nieuwe onderdeelnummer verifiëren en het toevoegen aan de DigiKey website. Hoewel de website ontwerpers door het bestelproces zal gidsen, kan vertrouwdheid met de SiTime-nomenclatuur voor haar oscillatorconfiguraties nuttig zijn (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Weergegeven is de configuratienomenclatuur die gewoonlijk wordt gebruikt voor programmeerbare MEMS-oscillators van SiTime, in dit geval voor het SiT2001-basismodel. (Bron afbeelding: SiTime)

Conclusie

Ontwerpers van systemen voor uiteenlopende toepassingen hebben behoefte aan flexibele circuittimingoplossingen om te voldoen aan de huidige, maar ook aan de oude en toekomstige systeemspecificaties en -eisen. In plaats van meerdere kristal- of MEMS-oscillators met de bijbehorende circuits en complexiteit van het ontwerp, kunnen ontwerpers ruimte, tijd en kosten besparen door te kiezen voor programmeerbare MEMS-apparaten die reeds aan veel van hun eisen kunnen voldoen.

Als aangepaste ontwerpen nodig zijn, hoeven ontwerpers geen drie tot vijf weken te wachten op productieverzending vanuit de fabriek. Met behulp van een programmeermachine speciaal voor SiTime-apparaten kan DigiKey binnen 24 tot 48 uur beginnen met het verzenden van aangepaste configuraties.