Kundenspezifische Programmierung von MEMS-Oszillatoren bei DigiKey

MEMS-Chiposzillatoren (MikroElektroMechanische Systeme) werden immer mehr zur Timing-Lösung der Wahl für Designer, die für ihre Anwendungen höhere Qualitätsstandards erfüllen wollen. Dies geht über eine erhöhte Timing-Genauigkeit hinaus und reicht bis zur Entwicklung von Produkten, die nicht so früh verschleißen, eine größere Vielfalt von Betriebsbedingungen bewältigen können, eine längere Batterielebensdauer haben und kleiner sind. Bislang ist SiTime mit einem Marktanteil von 90% und weit über einer Milliarde ausgelieferter Einheiten führend bei Zeitmessungslösungen auf Chipbasis.

Aufgrund ihres Designs und ihrer Konstruktion sind MEMS-Oszillatoren herkömmlichen Quarzkristallresonatoren inhärent überlegen. Beginnend mit einem standardisierteren und weniger komplizierten Herstellungsprozess sind MEMS-Oszillatoren weniger Kontaminationsmöglichkeiten ausgesetzt. Dies führt zu einem 30-mal besseren DPPM (defekte Teile pro Million) und MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen), d.h. bessere Qualität und Zuverlässigkeit. Sie sind auch weitaus robuster gegenüber den meisten Umweltbedingungen. Da MEMS-Oszillatoren keine freiliegenden Platinenverbindungen zwischen dem Resonator und dem Oszillatorkreis haben und da die Oszillatorkreise für elektrisch verrauschte Bedingungen optimiert sind, sind sie viel unempfindlicher gegen EMI (elektromagnetische Interferenz). Und da ihre Masse tausendmal geringer ist als die von Quarzresonatoren, sind sie zudem weitaus unempfindlicher gegen Stöße und Vibrationen. Ähnliche Konstruktionsmerkmale machen sie unempfindlicher gegen Betriebstemperatur und Leiterplattenrauschen.

Es gibt allerdings einen eklatanten Vorteil bei der Verwendung von Quarzresonatoren, und zwar, dass sie wesentlich billiger sind als MEMS-Oszillatoren. Dies mag für viele Grund genug sein, die zahlreichen oben beschriebenen Vorteile zu ignorieren und sich für Quarz zu entscheiden, und sicherlich erfordern einige Anwendungen einfach keine Komponenten von höchster Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit. Man sollte jedoch unbedingt die Kosten berücksichtigen, die über die anfänglichen Kosten der Teile hinausgehen. Erstens erfordern Quarzresonatoren einen größeren Konstruktionsaufwand, nicht nur bei der Auswahl des richtigen Resonators, sondern auch bei der Vermeidung und Überwindung häufig auftretender Probleme wie Kaltstartversagen, fehlangepasste Kristalle, Versagen der EMI-Konformität usw. MEMS-Oszillatoren hingegen vereinfachen das Systemdesign immens, da sie „Plug&Play“ sind, d.h. die oben genannten Probleme entfallen und ihr Start ist garantiert. Zweitens benötigen MEMS-Oszillatoren aufgrund ihrer kleineren Grundfläche, der Fähigkeit, mehrere Lasten zu treiben, und der Tatsache, dass sie keine Lastkondensatoren benötigen, erheblich weniger Platz auf der Leiterplatte und haben möglicherweise geringere Gesamtkosten für die Stückliste. Darüber hinaus sind MEMS-Oszillatoren von SiTime programmierbar, was zu einer besseren Verfügbarkeit führt und es Ingenieuren ermöglichen, ihre Designs flexibler zu gestalten, um eine schnellere Markteinführung zu erreichen.

Als komplette Timing-Lösung koppeln SiTime-Oszillatoren einen MEMS-Resonator und ein programmierbares CMOS-IC (das den Schwingkreis, PLL (Phasenregelkreis), Temperaturkompensation, Spannungsregler und Filter enthält) im selben Gehäuse. Im Gegensatz zu Quarzresonatoren, bei denen verschiedene Teile hergestellt werden müssen, um unterschiedliche Resonanzfrequenzen zu erreichen, werden MEMS-Oszillatoren hergestellt, indem Chargen von vor Ort programmierbaren Oszillatoren oder „leere“ Oszillatoren hergestellt und dann mit unterschiedlichen Konfigurationen programmiert werden, um unterschiedliche Ausgangsfrequenzen zu erzeugen. Neben der Frequenz sind viele weitere Parameter konfigurierbar, z. B. die Versorgungsspannung, die Frequenzstabilität, die Stärke der Ausgangsansteuerung (d. h. die Anstiegs-/Abfallzeit), usw. SiTime stellt mehrere Oszillator-Serien her, die jeden Oszillator-Typ (z. B. TCXO, VCXO, DCXO, OCXO und SSXO) und mehrere spezialisierte Kategorien, wie Energiesparend, Automotive, Robust usw. abdecken. Derzeit stehen Dutzende von Oszillator-Serien zur Auswahl und es sind Hunderte von Blanko-Teilenummern verfügbar. Aus diesem relativ kleinen Satz von Rohlingen können Milliarden von Teilenummern generiert werden.

Betrachten Sie als Beispiel die leere Teilenummer SIT2001BI-S1-XXX-000.FP000, bei der es sich um den SiT2001 Standardoszillator der Serie SOT23 im industriellen Temperaturbereich handelt. Die Aufschlüsselung der Teilenummern für diese Serie ist in Abbildung 1 unten dargestellt. Beachten Sie, dass die Frequenz aus einem Bereich von 1 MHz bis 110 MHz mit sechs Dezimalstellen Genauigkeit gewählt werden kann! Das bedeutet, dass insgesamt 109.000.001 Frequenzen von dieser einzelnen physikalischen Komponente erzeugt werden können. Berücksichtigt man auch die drei Optionen für „Features Pin“, sechs Optionen für „Supply Voltage“, drei Optionen für „Frequency Stability“ und neun Optionen für „Output Drive Strength“; kann man feststellen, dass es 52,974 Milliarden mögliche Teilenummern gibt, die von dieser einen leeren Komponente stammen können.

Abbildung 1: Die Artikelnummern sind dem Datenblatt für die SiT2001B-Serie von SiTime Oszillatoren entnommen. (Bildquelle: SiTime)

Diese Rohlinge können von SiTime im Werk in Produktionsvolumen mit einer Vorlaufzeit von 3 bis 5 Wochen programmiert werden. Bis zu diesem Zeitpunkt hat DigiKey diese vorprogrammierten Teile bei SiTime bestellt und die gängigsten Oszillator-Konfigurationen jeder Serie auf Lager gehalten. Dies unterscheidet sich nicht von der Art und Weise, wie wir nicht programmierbare Teile, wie z.B. Quarzresonatoren, behandeln, und es funktioniert gut für Kunden, die die Standardoszillator-Konfigurationen bestellen. Jeder Kunde, der eine kundenspezifische Konfiguration wünscht, müsste jedoch die Vorlaufzeit von 3 bis 5 Wochen für eine Bestellung mit großen Mindestmengen abwarten. Wenn diese kundenspezifischen Anfragen gestellt werden, werden die Teilenummern in unseren Katalog aufgenommen, aber in der Regel nicht auf Lager gehalten, da sie so selten bestellt werden. Bei der letzten Zählung hatte DigiKey 176.509 verschiedene Teilenummern für SiTime-Oszillatoren auf der Website aufgelistet, aber nur 5913 davon (magere 3,35%) waren auf Lager.

Um diese Probleme zu überwinden und die Programmierbarkeit von SiTime-Oszillatoren voll auszunutzen, haben wir vor kurzem unserem Lager eine automatische Programmiermaschine hinzugefügt, die zur Programmierung von SiTime-Komponenten dient. Diese Maschine (Abbildung 2) verwendet derzeit acht Programmiersockel und ist in der Lage, etwa 1500 Einheiten pro Stunde zu programmieren. Die Mehrzahl der Teilenummern in unserem Katalog kann jetzt mit Lieferzeiten von 24 bis 48 Stunden ohne Mindestmengen bestellt werden. Anstatt Teile auf Lager zu halten, die im Werk vorprogrammiert werden, bevorratet DigiKey einfach die Rohteile von SiTime und programmiert sie auf Bestellung. Dies bedeutet auch, dass wir jetzt praktisch alle SiTime-Oszillatoren in unserem Katalog auf Lager haben, mit Ausnahme einiger Sonderserien, die im Werk programmiert werden müssen. Anders ausgedrückt: Nachdem wir zur kundenspezifischen Programmierung übergegangen sind, haben wir jetzt 99% der SiTime-Oszillatoren in unserem System auf Lager, im Gegensatz zu nur 3,35%.

Beachten Sie, dass sich der Prozess der Bestellung von SiTime-Oszillatoren zwar nicht geändert hat, dass jedoch kundenspezifische Bestellungen jetzt über die Kategorie Programmierbare SiTime-Oszillatoren auf Digi-Keys TechForum eingereicht werden müssen. Sobald ein Antrag eingereicht wird, wird sofort eine E-Mail an einen unserer Anwendungstechniker gesendet, der die neue Teilenummer überprüft und sie der DigiKey-Website hinzufügt.

Abbildung 2: Ein Foto von Digi-Keys automatisierter Programmiermaschine, die einen leeren Oszillator in einen der Programmiersockel einsetzt. (Bildquelle: DigiKey)

MEMS-Oszillatoren von SiTime bieten eine überzeugende Alternative zu herkömmlichen Timing-Lösungen. Sie sind nicht nur qualitativ hochwertiger, zuverlässiger und robuster, sondern ihr integriertes und programmierbares Design ist auch nicht mit weiteren hohen technischen Kosten verbunden, beansprucht weniger Platz auf der Leiterplatte und ermöglicht eine größere Designflexibilität. Aus einigen hundert Basis-Teilenummern, die die umfassende Sammlung von Oszillatorfamilien umfassen, können Milliarden von Teilenummern mit einzigartigen Konfigurationen abgeleitet werden. Dennoch werden ohne einen Distributor, der diese Möglichkeit voll ausschöpft, nur die Standardoszillator-Konfigurationen zur Verfügung stehen. Bevor man eine automatische Programmiermaschine für SiTime-Oszillatoren einsetzte, konnten die ungewöhnlichen, kundenspezifischen Konfigurationen nur in Produktionsmengen mit beträchtlichen Vorlaufzeiten erworben werden. Aber jetzt, mit Digi-Keys schnellem Versand und der Fähigkeit zur kundenspezifischen Programmierung, können Kunden praktisch jede beliebige SiTime-Oszillatorkonfiguration, in jeder beliebigen Menge, innerhalb weniger Tage erhalten.