可编程 MEMS 振荡器满足可靠性、性能和较短提前期要求

发布时间:2022-2-23 11:02    发布者:eechina
关键词: MEMS , 振荡器
对于消费类、汽车、工业、医疗、通信、物联网 (IoT) 和企业等应用,系统设计人员必须考虑众多的时钟定时要求和性能特点,特别是在需要传统标准支持的情况下。其中包括精度、准确度、稳定性、系统噪声、电磁干扰 (EMI)、功耗、输出类型(差分或单端)以及各种扩频配置文件。设计人员面临的挑战是在外形尺寸小、功耗低的情况下满足各种要求。

同时,他们还必须将成本和交付期保持在最低水平,而这对定制配置来说又极为不易,因为设计人员仍需按批量订购,并且可能会有三到五周、甚至更长的提前期。这些延迟会减缓原型设计和开发,以及最终产品的生产进度。

为了满足对更灵活的高性能定时解决方案的需求,设计人员可以使用可编程微机电系统 (MEMS) 振荡器代替传统晶体振荡器。这些系统可满足或超越质量和性能要求,但采用标准结构,可按定制要求进行调整。

本文简要介绍可编程 MEMS 振荡器及其主要元件。随后,本文以 SiTime 器件为例,展示了如何选择和使用这些器件来满足各种应用的定时要求,同时减少提前期和降低整体成本。

为什么使用可编程 MEMS 振荡器?

在 2000 年代 MEMS 振荡器出现之前,石英晶体谐振器在电路定时中占据主要地位。然而,由于快速创新以及硅工艺的运用所推动,MEMS 振荡器成为强调质量、可靠性和稳健性的首选设计解决方案。虽然在许多应用中石英振荡器仍然是一个很好的低成本选择,但与高度集成的可编程 MEMS 器件相比,其设计更加复杂。例如,使用石英振荡器的设计人员需要选择正确的谐振器和负载电容器,以避免冷启动失效和晶体不匹配等问题,同时还要尽力最小化 EMI。

可编程 MEMS 器件的即插即用性可避免或极大减少这些复杂情况。另外,其制造工艺简单、标准,尺寸小巧,具有内在性能、可靠性和弹性特征。例如,使用大容量硅基 MEMS 制造工艺可最大限度地减少污染,从而降低每百万零件不合格数 (DPPM)。这样一来,即可降低成本,但对设计人员来说同样重要的是,该工艺可提高质量和可靠性,提升平均无故障时间 (MTBF)。这可应用于 -55˚C 至 +125˚C 的极端环境温度。

在尺寸方面,MEMS 振荡器的质量很轻 — 标准 32 千赫兹 (kHz) MEMS 振荡器采用芯片级封装 (CSP) 交付,排针的大小意味着在冲击和振动时非常坚固。另外,可编程 MEMS 振荡器在谐振器和振荡器电路之间没有任何裸露的 PC 板连接,而且由于振荡器电路针对电噪声条件进行了优化,因此它们对 EMI 的敏感度要低得多。其结构和设计对电路板噪声也不太敏感。

可编程 MEMS 振荡器的元件

可编程 MEMS 器件含 MEMS 谐振器,并封装有 CMOS IC。CMOS IC 包含模拟振荡器控制和驱动电路,可产生所需的时钟 (CLK) 输出(图 1)。该电路通常包括小数 N 分频锁相环 (PLL) 和相关分频器、驱动器、稳压器和温度补偿,以及通过静电激励驱动 MEMS 谐振器的电路。图 1 所示的一次性可编程 (OTP) 存储器可用于存储可编程参数。

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图 1:MEMS 振荡器的可编程性是由于封装 MEMS 谐振器的 CMOS IC 中使用可配置模拟振荡器电路,如左侧所示(三种不同的类型,可根据应用进行选择)。(图片来源:SiTime)

石英晶体振荡器根据所需 CLK 选择或制造不同的零件,而可编程 MEMS 振荡器是成批制造空白器件,可在现场按所需输出频率编程。除频率外,其他可编程参数包括供电电压、频率稳定性和上升/下降时间等(图 2)。

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图 2:各种可编程 MEMS 定时选项为设计人员提供了灵活性,可高效且经济地满足多代系统在各种应用中的需求。(图片来源:SiTime)

这种参数微调功能允许设计人员对输出频率进行编程,以准确匹配下游 IC,例如微控制器、微处理器或片上系统 (SoC)。由于这种灵活性,不再需要使用外部缓冲器、分频器或频率转换 PLL,可大大降低复杂性和开发时间。

虽然可编程 MEMS 振荡器可大大减轻设计人员的负担,但这种负担并没有消失。相反,它向上转移至器件提供商,设计人员要依靠其获取 MEMS、可编程模拟和系统专业技术,以确保实现可靠、稳定、可轻松编程的解决方案。

可编程 MEMS 解决方案

尽管灵活,但并不存在可涵盖所有频率的各种可能应用的“一体适用型”选项。不过,可编程 MEMS 振荡器工艺和技术的掌握水平仍日臻成熟。例如,SiTime Elite Platform 的 SiT3521(图 3)和 SiT3522 振荡器能够使用其 I2C/SPI 接口进行系统内编程 (ISP),分别能从 1 MHz 编程至 340 MHz,从 340 MHz 编程至 725 MHz(增量为 1 Hz)。

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图 3:SiT3521(如图)有一个数字 I2C/SPI 接口(右下),可从 1 MHz 编程至 340 MHz。其姊妹产品 SiT3522 可从 340 MHz 编程至 725 MHz。(图片来源:Digi-Key Electronics)

作为数字控制振荡器 (DCO),这些器件不需要数模转换器 (DAC) 来驱动控制输入,而且它们不受模拟噪声耦合的影响。

另外,由于频率牵引是通过 PLL 分数反馈分压器实现,所以不会出现牵引非线性。使用分数反馈分压器也意味着可拉性不受限制,因为它可能是电压控制的石英晶体振荡器。这样一来,该器件有 16 种频率牵引范围选择,从 6.25 ppm 至 3200 ppm。这两种器件都有约 0.2 皮秒 (ps) 的超低相位抖动,指定可编程牵引范围为 ±25 ppm 至 ±3200 ppm。它们的频率牵引分辨率低至 5 ppt,并支持三种信号类型:LVPECL、LVDS 和 HCSL。

这些器件可灵活适用于网络、服务器存储、广播、电信以及测试和测量等应用。在此,由于要向后兼容传统标准,如数字视频传输或以太网,因此需要能适应多种频率以及各种抖动和相位噪声要求。

使用 SiT3521 和 SiT3522 可编程 MEMS 振荡器

SiT3521 和 SiT3522 有两种工作模式:“任意频率”和 DCO。在任意频率模式下,设计人员可将设备重新编程为其支持的任何频率。要实现此功能,需要首先计算后分频器、反馈和 mDriver 值,然后将其写入器件(图 4)。

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图 4:参考 I2C/SPI 振荡器高级方框图,SiT3521 和 SiT3522 的编程都是从计算后分频器、反馈分压器和 mDriver 值开始,且以这些计算的一个用户输入值作为目标输出频率。(图片来源:SiTime)

这些计算要求设计人员输入的唯一值是所需的输出频率。其他输入值为分频器的允许范围。请注意,在对新值编程时,输出会暂时禁用,因此设计人员需要考虑到这一点。

对于数字控制,这个过程更容易。根据器件的订购代码,器件上电到其标称工作频率和牵引范围。从这一点来看,牵引范围和输出频率都可以通过写入其各自的控制寄存器来设置(左上,图 4)。然而,还是需要考虑一些细微差别。例如,最大的输出频率变化受到牵引范围限制的约束。牵引范围指定为峰峰值偏差的一半,因此 200 ppm 峰峰值偏差被指定为 ±100 ppm 的牵引范围。

从 16 个选项(±6.25 ppm 至 ±3200 ppm,如前所述)列表中选择所需牵引范围后,牵引范围会被加载到相应的控制寄存器(Reg2[3:0],图 4)。如表 1 所示,牵引范围会影响频率精度。

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表 1:设计人员可以从 16 个可能的 SiT3521 和 SiT3522 牵引范围中进行选择,并将其加载到控制寄存器中。牵引范围的选择会影响频率精度。(图片来源:SiTime)

要改变输出频率,设计人员可写入两个控制字:首先写入最不重要的字 (LSW) 到 Reg0[15:0],然后写入最重要的字 (MSW) 到 Reg0[15:0]。写入 MSW 后,器件会更改其反馈分压器的值,以适应新的频率。此操作在 Tdelay 时间框架内完成(图 5)。

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图 5:在 DCO 模式下,输出频率在写入 MSW 后开始变化,在器件更改其反馈值(Tdelay 期间)并稳定 (Tsettle) 到新值 (F1) 的 1% 后结束。(图片来源:SiTime)

分频器值设定后,输出会稳定在最终频率值的 1% 以内。不同于“任何频率”模式,频率变化时输出不会被禁用。不过,如果启用了软件输出允许 (OE) 控制功能,设计人员可以选择手动禁用频率变化时的输出。

要适应这些器件并确保其满足应用要求,设计人员可以使用 SiT6712EB 评估板进行实验。该板支持带差分信号输出的 10 引脚 QFN 封装 SiT3521 和 SiT3522,并允许全方位评估这些器件,包括信号完整性、相位噪声、相位抖动和重新编程的简易性。该板还支持 LVPECL、LVDS 和 HCSL 输出信号类型,包括用于输出频率测量的探测点。

这里需要指出的是,这些是具有亚纳秒级上升/下降时间的差分振荡器。为了确保准确测量,必须采用测量最佳实践,同时使用优质有源探针(图 6)。

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图 6:使用 SiT6712EB 评估板时,务必采用高速测量最佳实践,包括使用优质有源探针和合适的高速差分探头。(图片来源:SiTime)

为达到最佳效果,应使用带宽 4 千兆赫 (GHz) 以上、负载电容 1 皮法拉 (pF) 以下的有源探针,并使用相匹配的高速差分探头。配套的示波器应具有 4 GHz 或更高带宽,以及 50 欧姆 (Ω) 输入。

面向应用的现成即用可编程振荡器

当然,目前有诸多系列的可编程 MEMS 振荡器,有些适用于网络、广播和通信,其他则可能适用于汽车领域,如 AEC-Q100 认证,或注重较高工作温度范围等特点的工业领域。例如,SiT1602BI-33-33S-33.333330 的工作温度为 -40˚C 至 +85˚C;33.333330 表示其标称频率单位为兆赫。

当然,也有适合特定应用的封装和电压选项。例如,SiT1532 是低电压 CMOS (LVCMOS) 1.2 V 振荡器,采用 UFBGA 封装,尺寸为 1.54 mm x 0.84 mm,高度为 0.60 mm(图 7)。针对手机和物联网应用,其标称频率为 32.768 kHz。

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图 7:SiT1532 是一款采用 UFBGA 封装的 LVCMOS 可编程 MEMS 振荡器,可用于物联网和手机应用。(图片来源:SiTime)

在汽车领域,SiT8924AE 24 MHz 振荡器具有非常高的工作温度范围(-55˚C 至 ~125˚C),采用小型无引线表面贴装器件 (SMD) 封装,尺寸为 2.50 mm x 2.00 mm,高度为 0.80 mm。

这些可编程 MEMS 器件系列繁多,标称频率都是现成即用,但都有相同的原始形式:空白器件。它们基本上是“现场可编程”的振荡器,最初为空白器件,然后在工厂对常用频率进行预编程,接着再由 Digi-Key 供货。

定制振荡器的快速发货

若拥有多种多样的振荡器,则有助于将常用定时电路迅速推向市场,但并非每个设计人员都愿意进行振荡器编程,尽管它相当简单,但在特定情况下仍需定制配置。在过去,后者意味着定制配置从工厂发货需要三到五周的提前期。Digi-Key 在自己的仓库中安装有专门用于 SiTime 零件的自动编程机,因此可解决这一问题(图 8)。

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图 8:图示为 Digi-Key 自动编程机,专门用于 SiTime 振荡器,其编程插座中放置有空白振荡器。(图片来源:Digi-Key Electronics)

该机器目前有八个插座,每小时可编程 1500 个单元,将定制配置的提前期缩短到 24 至 48 小时,并且无最低订购数量限制。

要利用此功能,设计人员可从 Digi-Key 技术论坛上的 SiTime 可编程振荡器部分开始。提交申请后,将立即向 Digi-Key 的工程设计技术人员发送电子邮件。他们将验证新零件编号,并将其添加到 Digi-Key 网站上。虽然网站会指导设计人员完成订购过程,但熟悉 SiTime 振荡器配置的命名法可能会有所帮助(图 9)。

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图 9:图示为 SiTime 可编程 MEMS 振荡器的常用配置命名法,此处以 SiT2001 基本型号为例。(图片来源:SiTime)

总结

各种应用的系统设计人员需要灵活的电路定时解决方案,以满足当前以及传统和未来的系统规格和要求。设计人员选择可满足诸多要求的可编程 MEMS 器件,可免除多个晶体或 MEMS 振荡器以及相关电路和设计的复杂性,从而节省空间、时间和成本。

如需定制设计,从工厂发货产品,设计人员不必等待三到五周。利用专用于 SiTime 器件的编程机,Digi-Key 可在 24 至 48 小时内开始发货定制配置。

来源:Digi-Key
作者:Patrick Mannion
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