Tento článek stručně představuje programovatelné oscilátory MEMS a popisuje jejich hlavní prvky. Pak se bude věnovat řešení od SiTime.

Proč používat programovatelné oscilátory MEMS?

Dokud se v roce 2000 neobjevily oscilátory MEMS, používaly se oscilátory z křemíkového krystalu. Přesto křemíkové oscilátory zůstávají dobrou nízkonákladovou volbou pro mnoho aplikací. Při návrhu obvodu s křemíkovým oscilátorem se musí zvolit správný rezonátor a zatěžovací kondenzátor, abychom se vyhnuly problémům se studeným startem a zároveň jsme minimalizovali elektromagnetické vyzařování EMI.

Programovatelné oscilátory MEMS typu plug-and-play díky jejich standardizovanému výrobnímu procesu v kombinaci s malou velikostí také poskytuje inherentní výkon, spolehlivost a odolnost.  Například použití velkoobjemového výrobního procesu se minimalizuje příležitosti ke kontaminaci, a to má za následek méně vyrobených vadných dílů na milion (DPPM). To nejen snižuje náklady, ale zvyšuje kvalitu, spolehlivost a tzv. střední dobu mezi poruchami (MTBF). 

Malá hmotnost oscilátorů MEMS - standardní oscilátor MEMS 32 kHz se dodává v pouzdře o velikosti čipu (CSP). Navíc jsou extrémně odolné vůči rázům a vibracím. Programovatelné oscilátory MEMS také nemají žádné spoje na desce plošných spojů mezi rezonátorem a oscilačním obvodem. Proto nejsou tak citlivé na EMI a různá jiná rušení.

Prvky programovatelného oscilátoru MEMS

Programovatelné oscilátory MEMS obsahují rezonátor MEMS s integrovaným obvodem CMOS. Tento CMOS obvod obsahuje řízení analogových oscilátorů a obvodů měniče pro generování požadovaného výstupu hodin (CLK) (obrázek 1). Obvody obvykle obsahují smyčku fázový závěs (Fractional-N-PLL) a přidružené děliče, ovladače, regulátory napětí a teplotní kompenzaci. K uložení konfiguračních parametrů se používá jednorázově programovatelná paměť (OTP) zobrazená na obrázku 1.

Obrázek 1: Programovatelnost oscilátorů MEMS je dána konfigurovatelným obvodem analogového oscilátoru v CMOS. Vlevo jsou tři různé typy rezonátoru. (Zdroj obrázku: SiTime)

Na rozdíl od křemíkových krystalových oscilátorů, kde se různé části vybírají nebo vyrábějí na základě požadovaného CLK, se programovatelné oscilátory MEMS vyrábějí v dávkách polotovarů, které jsou programovatelné až v terénu pro požadované výstupní frekvence. Spolu s frekvencí patří mezi další programovatelné parametry napájecí napětí, stabilita frekvence a doba vzestupné a sestupné hrany ( rise/fall times ) (obrázek 2).

Obrázek 2: Široká škála programovatelných parametrů poskytuje flexibilitu, která umožní efektivně vyhovět potřebám celé řady aplikací. (Zdroj obrázku: SiTime)

Toto parametrické jemné doladění umožňuje naprogramovat výstupní frekvenci tak, aby přesně odpovídala integrovaným obvodům, jako jsou mikrokontrolery, mikroprocesory nebo složité systémy (SoC). Tato flexibilita, která také eliminuje potřebu externích vyrovnávacích pamětí a jiných prvků výrazně snižuje složitost a dobu vývoje.

Konfigurace MEMS oscilátorů

Ačkoli jsou MEMS oscilátor flexibilní, neexistuje žádný univerzální oscilátor, který by pokryl všechny možné aplikace na všech frekvencích. Nicméně se k tomuto stavu přibližují. Například oscilátory SiT3521 (obrázek 3) a SiT3522 z platformy SiTime je možné pomocí rozhraní I2C / SPI nakonfigurovat v rozsahu 1 MHz až 340 MHz a 340 MHz až 725 MHz v krocích po 1 Hz.

Obrázek 3: SiT3521 (na obrázku) má digitální rozhraní I2C / SPI (vpravo dole) a je programovatelný od 1 MHz do 340 MHz. Její sesterské zařízení SiT3522, je programovatelné od 340 MHz do 725 MHz. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Jeho digitálně řízené oscilátory (DCO) nepotřebují k řízení řídicího vstupu převodník digitálně-analogový (DAC) a nepodléhají tak analogovému šumu. Tento kmitočtový rozsah je dosažen pomocí děliče zpětné vazby PLL, kde není žádná nelinearita. Použití děliče frakční zpětné vazby také znamená, že frekvence oscilace není omezena, jak by to mohlo být u křemenného krystalového oscilátoru řízeného napětím.

To umožňuje disponovat až 16 možnostmi tzv frequency pull range. To je maximální rozdíl frekvence mezi oscilátorem nebo hodinami a referenční frekvencí smyčky fázového závěsu, přes kterou lze lokální oscilátor uzamknout. Tato hodnota se pohybuje u tohoto MEMS oscilátoru mezi 6,25 ppm až 3 200 ppm. Navíc oba MEMS oscilátory mají velmi nízký fázový jitter ~ 0,2 ps. Rozlišení je pouhých 5 ppt a podporují tři typy signalizace: LVPECL, LVDS a HCSL.

Díky jejich flexibilitě jsou SiT3521 a SiT3522 vhodná pro aplikace, jako jsou sítě, servery, telekomunikace, testování a měření. Výhodou je zpětná kompatibility se staršími standardy, jako je digitální přenos videa nebo Ethernet, díky širokému frekvenčnímu rozsahu a vysokým požadavkům na jitter a fázový šum.

Použití programovatelných oscilátorů MEMS SiT3521 a SiT3522

V provozu mají SiT3521 a SiT3522 dva režimy: „libovolná frekvence“ a DCO. V libovolném kmitočtovém režimu lze přeprogramovat oscilátor na libovolnou z podporovaných frekvencí. Aby toho dosáhli, musí nejprve vypočítat hodnoty post-děliče, zpětné vazby a mDriver a poté je zapsat do registrů oscilátoru (obrázek 4).

Obrázek 4: S odkazem na blokové schéma, programování začíná výpočtem hodnot post-děliče, děliče zpětné vazby a mDriver pro dosažení cílové výstupní frekvence. (Zdroj obrázku: SiTime)

Jedinou vstupní hodnotou je požadovaná výstupní frekvence. Ostatní vstupní hodnoty jsou limitovány rozsahem děliče. Pokud se naprogramuje nová hodnota, výstup je na krátkou dobu deaktivován. Na to se nesmí zapomenout.

U digitálního ovládání (režimu DCO) je proces jednodušší. Zařízení startuje podle jmenovité pracovní frekvence podle objednacího kódu. Od tohoto bodu lze nastavit výstupní frekvenci zápisem do příslušných řídicích registrů (vlevo nahoře obrázek 4). Je však třeba vzít v úvahu některé nuance.

Například maximální změna výstupní frekvence je omezena tzv pull range. Rozsah frekvence je specifikován jako polovina odchylky špičky od špičky (peak to peak), takže odchylka 200 je specifikována jako pull range ± 100 ppm.

Po zvolení požadovaného pull range ze seznamu 16 možností (mezi ± 6,25 ppm až ± 3 200 ppm, zmíněno dříve) se pull range načte do příslušného řídicího registru (Reg2 [3: 0], obrázek 4). Pull range ovlivňuje přesnost frekvence podle tabulky 1.

Tabulka 1: Lze si vybrat ze 16 možných pull range SiT3521 a SiT3522 a načíst jej do řídicího registru. Volba pull range ovlivňuje přesnost frekvence. (Zdroj obrázku: SiTime)

Pro změnu výstupní frekvence je nutné zapsat dvě řídicí slova. Nejprve nejméně významné slovo (LSW) do Reg0 [15: 0], poté nejvýznamnější slovo (MSW) do Reg0 [15: 0].  Po zapsání MSW se změní hodnota děliče zpětné vazby tak, aby vyhovovala nové frekvenci. To se děje během časového rámce Tdelay (obrázek 5).

Obrázek 5: V režimu DCO je změna výstupní frekvence zahájena po zápisu MSW a je dokončena poté, co se automaticky změní hodnota zpětné vazby (během Tdelay) a usadí se (Tsettle) na 1% své nové hodnoty (F1). (Zdroj obrázku: SiTime)

Po nastavení hodnoty děliče se výstup „usadí“ na 1% konečné hodnoty frekvence. Na rozdíl od režimu „libovolná frekvence“ není výstup během změn frekvence deaktivován. Pokud je však povolena funkce ovládání softwarového výstupu (OE), může si návrhář zvolit deaktivaci výstupu ručně během doby změny frekvence.

Aby se návrháři seznámily s aplikačními požadavky mohou experimentovat pomocí vývojové desky SiT6712EB. Podporuje MEMS oscilátory SiT3521 i SiT3522 s diferenciálními signalizačními výstupy v 10 pinovém pouzdru QFN a umožňuje vyhodnocení všech aspektů, včetně integrity signálu, fázového šumu, fázového chvění a snadného přeprogramování. Podporuje typy výstupních signálů LVPECL, LVDS a HCSL a zahrnuje měřicí body pro měření výstupní frekvence.

Je důležité zde poukázat na to, že se jedná o diferenciální oscilátory s dobami náběžné a sestupné hrany v nanosekundě. Aby bylo zajištěno přesné měření, je důležité používat osvědčené postupy měření spolu s vysoce kvalitní aktivní sondou (obrázek 6).

Obrázek 6: Při použití vývojové desky SiT6712EB je důležité využívat osvědčené postupy vysokorychlostního měření, včetně použití vysoce kvalitní aktivní sondy. (Zdroj obrázku: SiTime)

Pro dosažení nejlepších výsledků by měla být použita aktivní sonda se šířkou pásma > 4 GHz a zátěžovou kapacitou <1 pF. Použitý osciloskop by měl mít šířku pásma 4 GHz nebo vyšší se vstupy 50 Ω.

Speciální programovatelné oscilátory pro danou aplikaci

Některé programovatelné MEMS oscilátory jsou vhodné pro síť, broadcas a komunikaci, jiné mohou mít vlastnosti, díky nimž jsou vhodné pro automobilový průmysl, jako je kvalifikace AEC-Q100 nebo pro průmysl s důrazem na vysoký rozsah provozních teplot. Například SiT1602BI-33-33S-33.333330 má provozní teplotu od -40 °C do + 85 °C. 33 333330 označuje jeho nominální frekvenci v megahertzích.

K dispozici jsou také různé možnosti pouzder a napětí, které jsou vhodné pro konkrétní aplikaci. Například SiT1532 je nízkonapěťový CMOS (LVCMOS) 1,2 voltový oscilátor v pouzdru UFBGA se stopou 1,54 mm x 0,84 mm a výškou 0,60 mm (obrázek 7). Zaměřuje se na mobilní a IoT aplikace a má nominální frekvenci 32,768 kHz.

Obrázek 7: SiT1532 je programovatelný oscilátor MEMS LVCMOS v pouzdru UFBGA pro IoT a mobilní aplikace. (Zdroj obrázku: SiTime)

Pro automobilový průmysl je vhodný oscilátor SiT8924AE 24 MHz, který kombinuje velmi vysoký rozsah provozních teplot -55 °C až 125 °C) a malé pouzdro SMD s rozměry 2,50 mm x 2,00 mm, a výška 0,80 mm.

Rychlá dodávka vlastních oscilátorů

Mít k dispozici širokou škálu oscilátorů pomáhá rychle dostat na trh běžně požadované časovací obvody, ale ne každý designér se chce zabývat programováním oscilátoru, přestože je to jednoduché. Historicky by to znamenalo tři až pětitýdenní dodací lhůtu pro vlastní konfiguraci, která by měla být odeslána z továrny. Společnost Digi-Key tento problém vyřešila instalací automatizovaného programovacího stroje - věnovaného součástkám SiTime (obrázek 8).

Obrázek 8: Automatický programovací stroj Digi-Key, který je určen pro oscilátory SiTime, ukazuje umístění prázdného (nenakonfigurovaného) oscilátoru do jeho programovací zásuvky. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Stroj má v současné době osm soketů a dokáže naprogramovat až 1 500 jednotek za hodinu. To snižuje dobu realizace vlastních konfigurací na 24 až 48 hodin. Aby mohli tuto možnost využít, začínají návrháři svůj výběr v sekci Programovatelné oscilátory SiTime na TechForum Digi-Key. Po odeslání žádosti bude okamžitě zaslán e-mail jednomu z technických techniků společnosti Digi-Key. Ověří nové číslo dílu a přidají ho na web Digi-Key. Zatímco webová stránka provede designéry procesem objednávání, může být užitečné seznámit se s nomenklaturou SiTime pro její konfigurace oscilátoru (obrázek 9).

Obrázek 9: Konfigurační nomenklatura typicky používaná pro programovatelné oscilátory MEMS SiTime, v tomto případě pro základní model SiT2001. (Zdroj obrázku: SiTime)

Závěr

Návrháři systémů pro celou řadu aplikací potřebují flexibilní řešení časování obvodů, aby splnili současné, starší i budoucí specifikace a požadavky systému. Programovatelné oscilátory MEMS ušetří místo, čas a náklady. Pokud jsou vyžadovány vlastní specifické oscilátory, designéři nemusí čekat tři až pět týdnů na výrobu z továrny. Pomocí programovacího stroje vyhrazeného pro zařízení SiTime může Digi-Key začít dodávat konfigurace na míru za 24 až 48 hodin.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Patrick Mannion.