MEMS înlocuiesc oscilatoarele obişnuite cu cuarţ

4 NOIEMBRIE 2011

Introducere
Ceasul este inima fiecărui produs electronic.
Acesta oferă o formă de undă stabilă şi repetabilă, la care se referă toate semnalele din produs. În esenţă, un ceas asigură sincronizarea în timp a sistemelor electronice. Prin urmare, un ceas este extrem de important pentru funcţionarea unui dispozitiv electronic: un semnal de ceas mai bun asigură performanţă mai ridicată, comportament mai consistent, şi o funcţionare mai sigură.
În general, diferite componente de sincronizare, cum ar fi rezonatoarele, oscilatoarele şi generatoare de tact pot fi folosite ca surse de referinţă, în funcţie de cerinţele aplicaţiei finale. Un rezonator este un dispozitiv mecanic vibrator – el necesită un circuit oscilant, de obicei, amplasat în interiorul unei CI semiconductor, pentru a genera un semnal de tact. Un oscilator integrează un rezonator şi un circuit oscilant în interiorul unei capsule de 4 sau 6 pini, şi furnizează un singur semnal de tact. Un generator de tact este un dispozitiv mult mai mare – acesta necesită un rezonator extern de referinţă şi are, de obicei, una sau mai multe bucle PLL pentru a genera unul sau mai multe ieşiri de tact. În toate cazurile, sursa de tact trebuie să fie stabilă (frecvenţa trebuie să rămână constantă) şi ar trebui să aibă o bună calitate a semnalului (de exemplu, forma de undă trebuie să fie corectă, cu duty cycle** bun, cu palier ascendent si descendent scurt şi fronturi de tact precis repetate).
** Duty Cycle = Raportul între semnalul de intrare şi ieşire (0 sau 1)

Până foarte recent, majoritatea surselor de sincronizare au folosit un cristal de cuarţ de referinţă deoarece acesta asigura o stabilitate adecvată şi o calitatea a semnalului de înaltă performanţă şi fiabilitate. Recent însă, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) găsesc aplicare în tot mai multe domenii, şi rezonatoarele MEMS înlocuiesc acum rezonatoarele de cuarţ în aplicaţii de timming.
În plus faţă de noile rezonatoare MEMS, circuitele oscilante care acţionează rezonatoarele suferă şi ele transformări profunde. Banalele circuite oscilatoare cu cuarţ au ajuns la fel de comune ca şi amplificatoarele sau memoriile tampon. Ieşirile oscilatoarelor sunt de obicei la aceleaşi frecvenţe ca şi cristalele. Noile circuite, mult mai moderne, care utilizează oscilatoare MEMS, sunt mult mai performante şi pot oferi mai multă flexibilitate care poate fi folosită pentru a personaliza dispo­zitivele pentru aplicaţii specfice. Mai important, acestea oferă beneficii semnificative în simplificarea lanţului de aprovizionare – cum ar fi oferirea de timpi de livrare mult mai mici decât cuarţul cât şi posibi­litatea de a folosi un singur dispozitiv de bază pentru o varietate de aplicaţii diferite.

Schema unui oscilator MEMS

Oscilatoare MEMS, cum ar fi cele de la SiTime, înlocuiesc oscilatoarele cu cuarţ tradiţionale programabile şi cu frecvenţă fixă într-o varietate de aplicaţii electronice, cum ar fi calculatoarele, bunurile de larg consum, reţelistică, comunicaţii, automotive şi industriale.
Figura 1 este o schemă a unui oscilator SiTime MEMS. Un cip rezonator MEMS este aşezat pe partea de sus a unui driver IC CMOS. Ambele sunt turnate într-o capsulă de plastic Quad Flat No-lead (QFN). Dimensiunile capsulei şi forma pinilor de contact sunt făcute pentru a se potrivi exact dimensiunilor standard ale oscilatorului cu cuarţ, astfel încât oscilatoarele pot fi lipite direct pe plăci concepute pentru cuarţ fără nicio modificare a produsului. Mulţi clienţi SiTime au trecut de la oscilatoare cu cuarţ la oscilatoarele MEMS în mijlocul procesului de producţie, fără modificări ale plăcii.

O scurtă istorie a rezonatoarelor MEMS
Rezonatoarele MEMS nu sunt o tehnologie nouă, cercetările durează de peste 40 de ani. Cu toate acestea, numai în ultimii doi ani tehnologia s-a dezvoltat exploziv, iar în ultimul an a început vânzarea de produse. De-a lungul ultimilor patruzeci de ani cercetatorii universităţilor şi grupurilor corporative de în domeniul MEMS au dezvoltat o combinaţie extrem de rafinată de materiale, procese de fabricatie, design electromecanic, inter­feţe electronice, tehnologii de ambalare şi instrumente de proiectare. Toate aceste facilităţi sunt pe punctul de a lansa noi oscilatoare MEMS.

Cum sunt fabricate rezonatoarele MEMS de la SiTime?
SiTime construieşte rezonatoare cu siliciu MEMS folosind instrumente şi materiale standard într-o bază CMOS. Aceasta asigură un efect economic multiplicator vital de reinvestire extraordinară realizat de industria CMOS. În plus, oscilatoarele sunt ambalate în procese semiconductoare backend standard de furnizorii de ambalaje standard. Acesta foloseşte investiţiile realizate de către industria de ambalaje pentru materiale semiconductoare şi oferă produse de înaltă fiabilitate fabricate în volume mari, cu viteze ridicate şi timp de livrare scurt.

Arhitectura programabilă a oscilatoarelor bazate pe MEMS
Circuitele oscilante SiTime sunt vitale în funcţio­narea rezonatoarelor MEMS, dar dincolo de acest fapt, ele întruchipează un nou mod de gândire de a oferi cea mai multă valoare clienţilor. Oscilatoarele cu cuarţ au fost iniţial dezvoltate atunci când semiconductoarele erau scumpe şi com­plexi­tatea circuitelor a trebuit să fie redusă la minimum. Cea mai bună soluţie în acea vreme a fost de a accentua complexitatea rezonatoarelor în afara electronicii. Cu doar câţiva tranzistori, circuitul oscilator cu cuarţ a rezonat cu cristalul şi a oferit la pinul de ieşire semnalul necesar pe PCB.
Acum însă, totul este diferit. Cu CMOS-urile mo­derne, se pot construi mii de tranzistoare într-o zonă foarte mică având un cost eficient. Arhitectura circuitelor SiTime amplifică posibilitatea de a oferi clientului o gamă mult mai largă de frecvenţe, tensiuni de alimentare şi diverşi alţi parametrii cu termene de livrare mai scurte şi la costuri mai mici.
Oscilatoarele sunt produse numai în câteva zeci de frecvenţe comune, dar clienţii solicită o varietate nesfârşită de frecvenţe personalizate. Când unul include diferite tensiuni de alimentare, tipuri de ambalaj, specificaţii de acurateţe, şi alte detalii, numărul de produse chiar şi pentru o singură familie de oscilatoare devine uriaş.
Aceasta înseamnă că producătorii de cuarţ nu pot face stoc pentru o gamă completă de frecvenţe şi trebuie să construiască componentele numai după ce comenzile sunt primite.
Pentru oscilatoarele cu cuarţ, fiecare frecvenţă se obţine cu un bloc de cristal de diferite dimensiuni. Deoarece tăierea cristalului la dimensiunea dorită este una dintre primele etape de producţie, producătorii de cuarţ trebuie să reia procesul de producţie de la început pentru fiecare comandă. Pentru clienţii oscilatoarelor pe bază de cuarţ, aceasta se traduce în timp de livrare îndelungat.
Cu noile oscilatoare MEMS de la SiTime lucrurile stau altfel. Aceste oscilatoare folosesc aceleaşi rezonatoare MEMS pentru fiecare frecvenţă de ieşire – frecvenţa nu este selectată prin schimbarea rezonatoarelor, ci mai degrabă se înmul­ţeşte electronic la o valoare programată stocată în memoria non-volatilă. Frecvenţele de ieşire sunt rapid şi uşor de programat pentru piesele din stoc împreună cu tensiunile de alimentare dorite şi diverşi alţi parametrii. Aceasta înseamnă pentru clienţi că primesc exact frecvenţele pe care doresc cu termene de livrare mult mai scurte, de obicei de două săptămâni în loc de două sau trei luni. Mostrele de probă se pot face folosind imediat programatoare portabile sau la fabrică într-o singură zi. De asemenea, înseamnă că fluxul de fabricaţie şi materiale este raţiona­lizat astfel încât producţia este mai eficientă. Acest lucru conduce la reducerea timpului de livrare şi costuri mai mici pentru clienţi.

SiTime a fost un pionier al noii tehnologii de multiplicator de frecvenţă care apelează la un Sigma-Delta Frac-N LC PLL.
Sunt şi alte aspecte importante despre această nouă arhitectură. Deşi au fost disponibile oscilatoare programabile cu cuarţ de peste zece ani, circuitele de multiplicare a frecvenţei utilizate prin inelul oscilator al PLL-ului au produs efecte mari de bruiaj. În consecinţă, acestea au fost recomandate numai pentru aplicaţii de precizie scăzută.
SiTime a dezvoltat o tehnologie nouă de multiplicator de frecvenţă apelând la un Sigma-Delta Frac-N LC PLL. Această nouă generaţie de circuite transformă frecvenţa rezonatorelor MEMS în frecvenţa de ieşire programată oferind un bruiaj scăzut, care este comparabil sau mai bun decât în cazul oscilatoarelor cu frecvenţă fixă şi cu mult mai mic decât la oscilatoarele cu cuarţ programabile.

Capsule
După subţierea şi faţetarea standard a plăcuţelor, rezonatoarele MEMS şi circuitele integrate CMOS de acţionare sunt turnate în capsule standard de plastic. SiTime foloseşte pentru capsule QFN- mase plastice turnate prin injecţie – pentru fiabilitate mare, inductanţă scăzută şi o bună performanţă termică. Aceste pachete se bucură, de asemenea, de pad flexibil, fiabilitate ridicată, şi cost scăzut.

În figură este un oscilator MEMS în comparaţie cu un oscilator cu cuarţ obişnuit. SiT8003XT este cel mai subţire oscilator de precizie din lume!

Oscilatoarele SiTime sunt disponibile în formatele standard de 2.5 × 2.0, 3.2 × 2.5, 5.0 × 3.2 şi 7.0 × 5.0 mm. Aceste capsule înlocuiesc direct oscilatoarele cu cuarţ şi se potrivesc perfect pe pad-urile cablajului imprimat. Aceste capsule standard au între 0.75 şi 0.90 mm grosime în funcţie de mărime. În figura alăturată este noul SiT8003XT de laSiTime, un oscilator super subţire şi cu un consum de curent extrem de mic. Deoarece rezonatoarele MEMS sunt mai subţiri decât orice altă capsulă de cristal de cuarţ, SiTime poate fabrica oscilatoare mult mai subţiri. La numai 0.25 mm grosime (echivalentul a trei foi de hârtie) acestea sunt cele mai subţiri oscilatoare de precizie din lume.

Fiabilitate de excepţie
Deoarece rezonatoare MEMS de la SiTime, driverele CMOS şi capsulele sunt toate construite cu

tehnologie standard a IC, ele au calitatea şi fiabilitatea dorită de clienţi. Industria de semiconductori a cheltuit miliarde şi miliarde de dolari pentru controlul şi îmbunătăţirea fiabilităţii, iar acest lucru este regăsit şi în produsele SiTime. Circuitele integrate sunt clasificate din punct de vedere al fiabilităţii după media timpului de bună funcţionare (MTBF), care este exprimată în ore. Un număr mai mare de ore înseamnă o componentă mai fiabilă. Semiconductoarele, în general, şi SiTime în special, au de regulă MTBF de 500 milioane de ore, în timp ce oscilatoarele cu cuarţ au adesea rate de 30 milioane de ore. Cu alte cuvinte, fiabilitatea lor este de zece ori mai scăzută, chiar de la furnizori mari şi cu reputaţie.

Privind înainte sau urmărind legea lui Moore
Rezonatoare MEMS sunt mult mai mici decât cristale de cuarţ comune. Tehnologia standard de fabricaţie din siliciu produce uşor piese cu dimensiuni de ordinul micronilor şi precizie de ordinul nanometrilor. Un rezonator MEMS complet are dimensiuni de ordinul zecimilor de milimetru, în comparaţie, cristale de cuart sunt de obicei cu câţiva milimetri peste, deci aproximativ de o sută de ori mai mari decât rezonatoarele MEMS. Piese mai mici înseamnă capsule mai mici în final, atât în dimensiuni laterale cât şi în grosime – acesta este motivul pentru care SiTime construieşte cel mai mic oscilator diferenţial, oscilatorul cu cel mai mic spectru de împrăştiere, cele mai mici oscilatoare controlate în tensiune şi oscilatorul cel mai subţire din lume. Rezonatoare MEMS îşi îmbu­nătăţesc performanţele în măsura în care acestea sunt realizate cu geometrii din ce în ce mai fine. Pe măsură ce în viitor tehnologiile CMOS vor scade ca dimensiuni, rezonatoare MEMS fabricate în aceleaşi locaţii vor avea aceeaşi soartă,având performanţe îmbunătăţite. Rezonatoare SiTime au spaţiile dintre electrozi sub un micron iar la generaţiile viitoare, geometriile fine vor reduce aceste distanţe dintre electrozi. Acest lucru va îmbunătăţi raportul semnal / zgomot şi vor conferi oscilatoarelor cele mai bune specificaţii raportate la zgomot. Acest lucru nu este valabil şi pentru cristale de cuarţ.
Cu cât cristalele de cuarţ sunt micşorate mai mult, cu atât se comportă mai rău, Q mai mic, zgomot de fază mai rău, sensibilitate mai mare la stres, benzi de frecvenţă mai restrânse etc. Ne aşteptăm ca pe măsură ce dimensiunile devin mai mici şi dispozitivele electronice să fie mai ieftine. Creşterea densităţii de tranzistori pe aceeaşi arie de silicon scade costurile deoarece preţul pe wafer-ul de silicon a rămas aproape acelaşi peste generaţii. Acelaşi lucru este valabil pentru rezonatoare MEMS, cu cât sunt mai mici sunt mai ieftine. Cu toate acestea, acest lucru nu este valabil şi pentru cristale de cuarţ. Cu cât cristalele sunt tăiate mai mici, acestea devin mai dificil de proiectat şi fabricat, au randamente mai mici, şi devin tot mai scumpe. Tehnologia unică MEMS de la SiTime MEMS are mai multe avantaje faţă de tehnologia cu cristale de cuarţ, printre care timp de livrare mai scurt, calitate mult îmbunătăţită şi costuri reduse. Îmbunătăţirea continuă a performanţelor extind gama de aplicaţii adresabile şi crearea unei schimbări tehnologice în masă pe piaţa dispozitivelor timming.

Concluzii
Caracteristicile deosebite ale oscilatoarelor SiTime controlate în tensiune (VCMOS) bazate pe cristale MEMS produse de SiTime sunt:
► un jitter sub 1ps;
► posibilităţi de ajustare de până la ±1600ppm
► o liniaritate mai bună de 1%;
► o excelentă stabilitate de până la ±1ppm;
► o precizie de 6 zecimale a frecvenţei generate;
► nivelul programabil permite reducerea suplimentară a interferenţelor EMI;
► sunt compatibile cu soluţiile VCXO existente şi sunt disponibile atât în gama de temperatură comercială (-20°C … +70°C) cât şi în gama de temperatură industrială (-40°C … +85°C);
► tensiunea de operare este de la 1,8V sau 2,5V la 3,3V.

Aceste oscilatoare sunt disponibile pentru diverse aplicaţii din domenii precum telecomunicaţii, reţelistică şi aplicaţii embedded.
Oscilatoarele MEMS produse de SiTime se regăsesc în milioane de produse la utilizatori. Sunt uşor de folosit şi se potrivesc perfect ca înlocuitori ai vechilor produse pe bază de cuarţ. Ele oferă caracteristici îmbunătăţite, în multe aplicaţii fiind cele mai subţiri din lume, acestea sunt singura soluţie disponibilă. Au demonstrat o fiabilitate extrem de ridicată, iar vânzarea lor a crescut rapid. În multe cazuri, MEMS au “cosmetizat” industria de cuarţuri.
Pentru cei pasionaţi ne puteţi contacta la adresele de e-mail de mai jos, vă stăm cu plăcere la dispoziţie cu detalii tehnice sau comerciale.

Marian Enache – Inginer aplicaţii
mena@msc-ge.com
MSC-Mibatron s.r.l. O firmă a MSC Vertriebs GmbH
bucuresti@msc-ge.com
www.msc-ge.com
Tel.: +40 (31) 1023466
Tel./fax: +40 (21) 2302530

COMPETENŢĂ ÎN ELECTRONICĂ

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre