Gli oscillatori MEMS programmabili soddisfano i requisiti di affidabilità, prestazioni e tempi di consegna brevi

I progettisti di sistemi per applicazioni consumer, automotive, industriali, medicali, comunicazioni, Internet delle cose (IoT) e d'impresa devono tener conto di molti requisiti di temporizzazione del clock e di caratteristiche prestazionali, in particolare quando è richiesto il supporto di standard legacy. Questi includono l'accuratezza, la precisione, la stabilità, il rumore del sistema, l'interferenza elettromagnetica (EMI), il consumo energetico, il tipo di uscita (differenziale o singola) e vari profili di divisione di spettro. La sfida per i progettisti sta nel soddisfare i vari requisiti in un fattore di forma compatto con un basso consumo energetico.

Allo stesso tempo, devono anche mantenere al minimo i costi e i tempi di consegna, il che è difficile per le configurazioni personalizzate dove devono ordinare in quantità di produzione e possono subire tempi di consegna da tre a cinque settimane o anche più. Questi ritardi rallentano sia la prototipazione e lo sviluppo, sia il programma di produzione del prodotto finale.

Per soddisfare la necessità di una soluzione di temporizzazione più flessibile ad alte prestazioni, i progettisti possono utilizzare gli oscillatori in sistema microelettromeccanico (MEMS) programmabili al posto dei classici oscillatori a cristallo. Questi soddisfano o superano i requisiti di qualità e prestazioni, ma sono disponibili in strutture standard che possono essere accordate per soddisfare i requisiti personalizzati.

Questo articolo introduce brevemente gli oscillatori MEMS programmabili e descrive i loro elementi principali. Esamina quindi dispositivi di esempio di SiTime e mostra come sceglierli e utilizzarli per soddisfare i requisiti di temporizzazione in una vasta gamma di applicazioni, riducendo al contempo i tempi di realizzazione e il costo complessivo.

Perché usare gli oscillatori MEMS programmabili?

Fino alla nascita degli oscillatori MEMS negli anni 2000, i risonatori a cristalli di quarzo hanno dominato la temporizzazione dei circuiti. Tuttavia, sostenuti da una rapida innovazione e dall'uso di processi al silicio, gli oscillatori MEMS sono diventati la scelta preferita dove i requisiti di progettazione sottolineavano la qualità, l'affidabilità e la robustezza. Mentre gli oscillatori al quarzo rimangono una buona opzione a basso costo per molte applicazioni, a dispetto dei dispositivi MEMS altamente integrati e programmabili possono essere un po' più complessi da progettare. Ad esempio, i progettisti che lavorano con oscillatori al quarzo devono scegliere il risonatore e il condensatore di carico corretti per evitare problemi come il mancato avvio a freddo e cristalli non accordati, nell'ottica anche di ridurre al minimo le EMI.

La caratteristica plug-and-play dei dispositivi MEMS programmabili evita o attenua notevolmente queste complicazioni. Inoltre, il loro processo di fabbricazione semplice e standardizzato, combinato con le loro dimensioni compatte, assicura prestazioni, affidabilità e caratteristiche di resilienza intrinseche. Ad esempio, l'uso di processi di produzione MEMS ad alto volume basati sul silicio riduce al minimo le possibilità di contaminazione, con conseguente riduzione dei difetti per milione (DPPM). Questo abbassa i costi, ma altrettanto importante per i progettisti, il processo migliora la qualità e l'affidabilità, aumentando il tempo medio tra i guasti (MTBF). Questo vale per tutte le temperature ambientali estreme, da -55 a +125 °C.

Per quanto riguarda le dimensioni, la piccola massa degli oscillatori MEMS - un oscillatore MEMS standard da 32 kHz può essere fornito in un contenitore chip-scale (CSP) dalle dimensioni pari alla testa di uno spillo - significa che sono estremamente robusti contro urti e vibrazioni. Inoltre, gli oscillatori MEMS programmabili non hanno collegamenti alla scheda CS esposti tra il circuito del risonatore e quello dell'oscillatore, e dato che i circuiti dell'oscillatore sono ottimizzati per condizioni di rumore elettrico, sono molto meno sensibili alle EMI. La loro struttura e il loro design li rendono anche meno sensibili al rumore.

Elementi di un oscillatore MEMS programmabile

Il dispositivo MEMS programmabile comprende un risonatore MEMS confezionato con un circuito integrato CMOS. Questo CI CMOS contiene il controllo dell'oscillatore analogico e i circuiti di azionamento per generare l'uscita di clock richiesta (CLK) (Figura 1). La circuiteria include tipicamente un PLL (circuito ad aggancio di fase) N frazionario e i divisori associati, i driver, i regolatori di tensione e la compensazione della temperatura, così come la circuiteria per pilotare il risonatore MEMS attraverso l'eccitazione elettrostatica. La memoria programmabile una sola volta (OTP) mostrata nella Figura 1 serve per i parametri programmati.

Figura 1: La programmabilità degli oscillatori MEMS deriva dall'uso della circuiteria dell'oscillatore analogico configurabile in un CI CMOS confezionato con un risonatore MEMS, mostrato a sinistra (tre tipi diversi, scelti in base all'applicazione). (Immagine per gentile concessione di SiTime)

A differenza degli oscillatori a cristalli di quarzo, dove i diversi componenti sono scelti o prodotti in base al CLK richiesto, gli oscillatori MEMS programmabili sono prodotti in lotti di pezzi grezzi programmabili sul campo per le frequenze di uscita richieste. Insieme alla frequenza, altri parametri programmabili includono la tensione di alimentazione, la stabilità della frequenza e i tempi di salita/discesa (Figura 2).

Figura 2: L'ampia gamma di opzioni di temporizzazione MEMS programmabili fornisce ai progettisti la flessibilità per soddisfare in modo efficiente e conveniente le esigenze di più generazioni di sistemi in una gamma di applicazioni. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

Questa messa a punto parametrica permette a un progettista di programmare la frequenza di uscita per abbinare esattamente i circuiti integrati a valle, come microcontroller, microprocessori o un System-on-Chip (SoC). Questa flessibilità, che elimina anche la necessità di buffer esterni, divisori di frequenza o PLL di traslazione della frequenza, riduce notevolmente la complessità e il tempo di sviluppo.

Mentre gli oscillatori MEMS programmabili riducono notevolmente l'onere del progettista, questo non scompare del tutto. Invece, si sposta a monte al fornitore del dispositivo, da cui i progettisti dipendono per avere la competenza dei MEMS, dell'analogico programmabile e dei sistemi per garantire una soluzione affidabile e stabile che sia facilmente programmabile.

Soluzioni MEMS programmabili

Anche se flessibile, non esiste un'opzione universale che copra tutte le possibili applicazioni su tutte le frequenze. Tuttavia, i processi e la tecnologia degli oscillatori MEMS programmabili sono stati padroneggiati al punto che ci si possono avvicinare molto. Ad esempio, gli oscillatori SiT3521 (Figura 3) e SiT3522 della piattaforma Elite di SiTime offrono programmabilità in-sistema (ISP) usando un'interfaccia I²C/SPI nell'intervallo da 1 MHz a 340 MHz e da 340 MHz a 725 MHz, rispettivamente, con incrementi di 1 Hz.

Figura 3: SiT3521 (nella foto) ha un'interfaccia digitale I²C/SPI (in basso a destra) ed è programmabile da 1 MHz a 340 MHz. La sua controparte, SiT3522, è programmabile da 340 MHz a 725 MHz. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Come oscillatori a controllo digitale (DCO), i dispositivi non richiedono un convertitore digitale/analogico (DAC) per pilotare l'ingresso di controllo e non sono soggetti all'accoppiamento del rumore analogico.

Inoltre, poiché il pull della frequenza è ottenuto da un divisore di feedback frazionario del PLL, non esiste non linearità pull. L'uso di un divisore di feedback frazionario significa anche che la capacità di traino non è limitata, come potrebbe essere con un oscillatore a cristallo di quarzo controllato in tensione. Questo permette ai dispositivi di avere 16 opzioni di intervallo pull in frequenza tra 6,25 ppm e 3200 ppm. Entrambi i dispositivi hanno un jitter di fase ultrabasso di ~0,2 ps e intervalli pull programmabili specificati da ±25 ppm a ±3200 ppm. La loro risoluzione di pull della frequenza è solo di 5 ppt e supportano tre tipi di segnalazione: LVPECL, LVDS e HCSL.

La loro flessibilità rende i dispositivi adatti ad applicazioni come la connettività di rete, lo storage dei server, la radiodiffusione, le telecomunicazioni e i test e le misurazioni. Qui, la necessità di retrocompatibilità con gli standard legacy, come per la trasmissione video digitale o Ethernet, richiede la capacità di accettare più frequenze, così come vari requisiti di jitter e rumore di fase.

Utilizzo degli oscillatori MEMS programmabili SiT3521 e SiT3522

Messi in funzione, SiT3521 e SiT3522 hanno due modalità: "qualsiasi frequenza" e DCO. Nella modalità di qualsiasi frequenza, i progettisti possono riprogrammare il dispositivo su una qualsiasi delle sue frequenze supportate. A tale fine, devono prima calcolare i valori di post-divisore, divisore di feedback e mDriver, per poi scriverli sul dispositivo (Figura 4).

Figura 4: Facendo riferimento a un diagramma a blocchi di alto livello dell'oscillatore I²C/SPI, la programmazione di SiT3521 e SiT3522 inizia con il calcolo dei valori del post-divisore, del divisore di feedback e mDriver, con un valore di ingresso utente per questi calcoli che è la frequenza di uscita target. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

L'unico valore di ingresso necessario per questi calcoli è la frequenza di uscita richiesta. Gli altri valori di ingresso sono gli intervalli consentiti del divisore. Si noti che quando viene programmato un nuovo valore, l'uscita è disabilitata per un breve periodo, quindi il progettista deve tenerne conto.

Per il controllo digitale, il processo è più semplice. Il dispositivo si alimenta alla sua frequenza operativa nominale e all'intervallo pull, secondo il codice d'ordine del dispositivo. Da quel punto, sia l'intervallo pull che la frequenza di uscita possono essere impostati scrivendo nei rispettivi registri di controllo (in alto a sinistra, Figura 4). Ci sono tuttavia alcuni aspetti da considerare. Ad esempio, la massima variazione di frequenza in uscita è vincolata dai limiti dell'intervallo pull. L'intervallo pull è specificato come metà della deviazione picco-picco, quindi una deviazione di 200 ppm p-p è specificata come un intervallo pull di ±100 ppm.

Dopo aver scelto l'intervallo pull richiesto dall'elenco di 16 opzioni (tra ±6,25 ppm e ±3200 ppm, come menzionato sopra), l'intervallo pull viene caricato nel rispettivo registro di controllo (Reg2[3:0], Figura 4). L'intervallo pull influisce sulla precisione della frequenza, secondo la Tabella 1.

Per cambiare la frequenza di uscita, il progettista scrive due termini di controllo: il primo meno significativo (LSW) a Reg0[15:0], seguito da quello più significativo (MSW) a Reg0[15:0]. Dopo la scrittura dell'MSW, il dispositivo cambia il valore del suo divisore di feedback per accomodare la nuova frequenza. Questo avviene durante il tempo specificato in Tdelay (Figura 5).

Figura 5: In modalità DCO, il cambiamento della frequenza di uscita è iniziato dopo la scrittura dell'MSW ed è finito dopo che il dispositivo cambia il suo valore di feedback (durante Tdelay) e si assesta (Tsettle) all'1% del suo nuovo valore (F1). (Immagine per gentile concessione di SiTime)

Dopo aver impostato il valore del divisore, l'uscita si assesta entro l'1% del valore finale della frequenza. A differenza della modalità "qualsiasi frequenza", l'uscita non è disabilitata durante i cambiamenti di frequenza. Tuttavia, se la funzione che controlla l'abilitazione dell'uscita software (OE) è attivata, il progettista può scegliere di disabilitare l'uscita manualmente durante il periodo di cambiamento di frequenza.

Per impratichirsi con i dispositivi e assicurarsi che soddisfino i requisiti applicativi, i progettisti possono sperimentare la scheda di valutazione SiT6712EB. Supporta SiT3521 e SiT3522 con uscite di segnalazione differenziale nel contenitore QFN a 10 pin e permette di valutare tutti gli aspetti dei dispositivi, compresa l'integrità del segnale, il rumore di fase, il jitter di fase e la facilità di riprogrammazione. Supporta i tipi di segnale di uscita LVPECL, LVDS e HCSL e include punti di tastatura per la misurazione della frequenza di uscita.

È importante sottolineare che si tratta di oscillatori differenziali con tempi di salita/discesa inferiori al nanosecondo. Per garantire misurazioni accurate, è importante utilizzare le migliori pratiche di misurazione, insieme a una sonda attiva di alta qualità (Figura 6).

Figura 6: Quando si usa la scheda di valutazione SiT6712EB, è importante adottare le best practice di misurazione ad alta velocità, compreso l'uso di una sonda attiva di alta qualità e di corrispondenti teste per sonda differenziale ad alta velocità adeguate. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

Per i migliori risultati, dovrebbe essere usata una sonda attiva con una larghezza di banda superiore a 4 GHz e una capacità di carico inferiore a 1 pF, con teste di sonda differenziale ad alta velocità corrispondenti. L'oscilloscopio dovrebbe avere una larghezza di banda di 4 GHz o superiore, con ingressi da 50 Ω.

Oscillatori programmabili di serie orientati all'applicazione

Ci sono naturalmente molte serie di oscillatori MEMS programmabili e se alcuni sono adatti per connettività di rete, radiodiffusione e comunicazione, altri possono avere caratteristiche che li rendono adatti all'uso automotive, come la qualificazione AEC-Q100 o industriale, con un'enfasi su caratteristiche come un elevato intervallo della temperatura di funzionamento. Ad esempio, SiT1602BI-33-33S-33.333330 ha una temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C; 33.333330 indica la sua frequenza nominale in megahertz.

Ci sono anche altre opzioni per il contenitore e la tensione che si adattano a un'applicazione particolare. Ad esempio, SiT1532 è un oscillatore CMOS a bassa tensione (LVCMOS) da 1,2 V in un contenitore UFBGA con un ingombro di 1,54 x 0,84 mm e un'altezza di 0,60 mm (Figura 7). Destinato ad applicazioni mobili e IoT, ha una frequenza nominale di 32,768 kHz.

Figura 7: SiT1532 è un oscillatore MEMS programmabile LVCMOS in un contenitore UFBGA per applicazioni IoT e mobili. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

Per il settore automotive, l'oscillatore a 24 MHz SiT8924AE combina un intervallo della temperatura di funzionamento molto elevato (da -55 a ~125 °C) e un contenitore SMD (montaggio superficiale:) compatto senza conduttori con un ingombro di 2,50 x 2,00 mm e un'altezza di 0,80 mm.

Mentre questi dispositivi MEMS programmabili, che comprendono decine di serie, sono facilmente disponibili nelle loro frequenze nominali, tutti hanno la stessa forma originale: grezzi. Sono essenzialmente oscillatori "programmabili sul campo" che esordiscono come grezzi e sono poi pre-programmati in fabbrica per le frequenze comunemente richieste e tenuti a magazzino da DigiKey.

Spedizione rapida di oscillatori personalizzati

Avere a disposizione un'ampia varietà di oscillatori aiuta a portare rapidamente sul mercato i circuiti di temporizzazione comunemente richiesti, ma non tutti i progettisti vogliono occuparsi della programmazione dell'oscillatore, nonostante sia abbastanza semplice e in certi casi siano anche necessarie configurazioni personalizzate. Storicamente, quest'ultimo fatto avrebbe implicato tempi di consegna da tre a cinque settimane per la spedizione della configurazione personalizzata dalla fabbrica. DigiKey ha affrontato questo problema installando una macchina di programmazione automatica dedicata ai pezzi di SiTime nel proprio magazzino (Figura 8).

Figura 8: La macchina di programmazione automatica di DigiKey, dedicata agli oscillatori di SiTime, mentre inserisce un oscillatore grezzo nello zoccolo di programmazione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La macchina ha attualmente otto zoccoli e può programmare fino a 1500 unità all'ora, riducendo i tempi di consegna di configurazioni personalizzate a 24-48 ore, senza quantità di ordinazione minime.

Per approfittare di questa capacità, i progettisti iniziano dalla sezione Oscillatori programmabili di SiTime sul TechForum di DigiKey. Una volta inviata una richiesta, uno dei tecnici di DigiKey riceverà una mail. Dopo aver verificato il nuovo codice componente, lo farà aggiungere al sito web DigiKey. Mentre il sito web guiderà i progettisti attraverso il processo di ordinazione, aver familiarità con la nomenclatura SiTime per le configurazioni di oscillatori può tornare utile (Figura 9).

Figura 9: La nomenclatura di configurazione tipicamente usata per gli oscillatori MEMS programmabili di SiTime, in questo caso per il modello base SiT2001. (Immagine per gentile concessione di SiTime)

Conclusione

I progettisti di sistemi per molte applicazioni hanno bisogno di soluzioni flessibili per la temporizzazione dei circuiti, al fine di soddisfare le specifiche e i requisiti dei sistemi attuali, così come quelli legacy e futuri. Al posto di oscillatori multipli a cristallo o MEMS e dei circuiti associati e delle complessità di progettazione, i progettisti possono risparmiare spazio, tempo e costi optando per dispositivi MEMS programmabili che possono già soddisfare molti di questi requisiti.

Se sono richiesti progetti personalizzati, i progettisti non devono aspettare da tre a cinque settimane per le spedizioni dalla fabbrica. Utilizzando una macchina di programmazione dedicata ai dispositivi di SiTime, DigiKey può iniziare a spedire configurazioni personalizzate in 24-48 ore.