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來源：http://m.mrncp.com 作者：康華爾電子 2019年12月05
工程都在找的可提高電表性能的MEMS可編程振蕩器處理方案
從2005年開始MEMS可編程晶振就得到大力發(fā)展,并且用于各行各業(yè)的產(chǎn)品當中,SiTime晶振公司是世界范圍內(nèi),生產(chǎn)這種振蕩器中最知名的品牌之一,也是由他們家發(fā)現(xiàn)了降低MEMS振蕩器成本的方法,才會受到這么多的關(guān)注.雖然使用MEMS晶振的用戶很多,但一直以來都缺乏正確的處理方式指導,因此許多用戶對MEMS都不了解甚至是不熟悉,以下是針對某個應用的可編程晶振處理方案.
硅MEMS(微機電系統(tǒng))計時是提高計量設備可靠性和性能的創(chuàng)新技術(shù)之一.該設備需要具有穩(wěn)定頻率的強大定時組件,以提供準確的計時和與時鐘源的同步.由于基于MEMS的組件固有的堅固性和彈性,該技術(shù)正在迅速取代傳統(tǒng)的石英組件.除了更高的可靠性外,MEMS時序還提供了靈活,專門的功能,可改善系統(tǒng)性能,并縮短交貨時間.
隨著資源(通常是能源,天然氣或石油)的監(jiān)控迅速擴展,支持信息收集和傳輸?shù)男录夹g(shù)變得越來越重要.必須可靠,安全地捕獲和傳輸數(shù)據(jù),考慮到圍繞已安裝的計量硬件的不同位置和環(huán)境條件,這可能是一個挑戰(zhàn).例如,測量,收集和分析能源使用情況的智能電表或測量地震信息的電表提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),而這些電表必須長期提供可靠的信息.
MEMS振蕩器具有更高的可靠性,彈性和更多功能
儀表用于各種應用和環(huán)境,并且通常在高溫和/或高水平的噪聲,振動或沖擊的惡劣條件下運行.為了保證多年的可靠運行,計時組件必須具有很高的彈性.與石英諧振器相比,MEMS固有地由于其設計,更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝而變得更加堅固.與石英供應商不同,SiTime具有內(nèi)部專業(yè)知識,可以開發(fā)先進的MEMS諧振器和振蕩器IC,這些諧振器和石英晶體振蕩器IC采用的技術(shù)可以提高彈性和性能.這些功能使振蕩器具有極高的可靠性.SiTime是唯一對所有生產(chǎn)產(chǎn)品提供終身保修的計時公司.
SiTimeMEMS振蕩器具有以下功能:
1. 較高的工作溫度–MHz振蕩器高達125℃,kHz振蕩器高達105℃
2. 出色的頻率穩(wěn)定性–在整個溫度范圍內(nèi)
3. 自定義頻率–從1Hz到725MHz,精度為6位小數(shù)
4. <1FIT率(10億小時MTBF)時更高的可靠性–比石英振蕩器高30倍
5. 耐振動(70g振動)–最高可達石英振蕩器的30倍
6. 耐沖擊(50,000克沖擊)–比石英振蕩器高25倍
7. 低電磁敏感性(EMS)–比石英振蕩器好50倍
8. 對電源噪聲(PSNS)的低靈敏度–比石英振蕩器好10倍
9. 低功耗功能–非常適合電池供電的儀表/控制器
MEMS振蕩器更耐沖擊和振動:
電表通常部署在惡劣和/或偏遠的地方.它們可能會遭受諸如沖擊和振動力之類的危害,這些危害會降低石英振蕩器的性能并導致其失效.石英晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動引起的抖動,以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動較小,因為其質(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動引起的加速度施加到諧振器的力.SiTime MEMS諧振器是剛性結(jié)構(gòu),可在體模式下在平面內(nèi)振動,其固有的抗振性.
振動靈敏度或g靈敏度(以ppb/g表示)表示由加速力引起的頻率變化.圖1繪制了以ppb/g為單位的正弦振動引起的噪聲雜散,以證明與基于石英的振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器在不同頻率下的振動靈敏度較低.
圖1:振蕩器對正弦振動的敏感性
此外,SiTime振蕩器在1.5x0.8mm的小型封裝(kHz振蕩器)和2.0x1.6QFN和SOT23-5小型封裝(MHz振蕩器)中提供0.1ppb/g的性能.石英設備必須使用大型專用包裝才能實現(xiàn)較低的g敏感度.
為了在現(xiàn)實條件下模擬設備的性能,SiTime在各種條件下測試了具有類似規(guī)格的MEMS和石英振蕩器,包括正弦振動(如上所示),隨機振動和沖擊沖擊.要了解有關(guān)測量結(jié)果和測試方法的更多信息,請參閱SiTime技術(shù)論文MEMS和基于石英的振蕩器的沖擊和振動性能比較以及硅MEMS振蕩器的彈性和可靠性.
MEMS振蕩器高度抗電磁能量和電源噪聲:
電磁敏感性(EMS)是在會議應用中的重要考慮因素,因為電磁(EM)能量會顯著影響振蕩器的性能.與有源石英晶振相比,具有精心設計的模擬電路的MEMS振蕩器對EM噪聲不那么敏感.石英振蕩器封裝上的金屬蓋不能保證免受電磁力的影響.EMS的性能更多地取決于固有的諧振器阻抗和耦合機制以及振蕩器的模擬電路設計.基于標準的測試表明,SiTime振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設備,如圖2所示.
圖2:各種振蕩器上由EM引起的平均相位噪聲雜散
系統(tǒng)中的電源可能是不利于系統(tǒng)性能的主要噪聲源,并且在打開和關(guān)閉電源時會放大此噪聲.大部分噪聲可以通過無源濾波器和去耦電容器濾除.但是,仍然存在一些噪聲,電路板問題(例如接地反彈)會對時鐘抖動產(chǎn)生負面影響.電源噪聲靈敏度(PSNS)是模擬電路設計中使用的參數(shù),它指示電路對電源噪聲的魯棒性.測試結(jié)果表明,SiTime振蕩器的PSNS比石英器件好得多,包括設計用于滿足高頻,低抖動要求的石英表面聲波(SAW)振蕩器.
圖3顯示了對于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系,并將石英振蕩器與SiTimeMEMS振蕩器的結(jié)果進行了比較.如圖所示,在幾乎所有噪聲頻率下,SiTimeMEMS振蕩器的抖動都較低.與典型的石英振蕩器制造商不同,SiTime使用包括PSNS電路在內(nèi)的先進模擬設計技術(shù)為其MEMS振蕩器設計模擬電路,以保護振蕩器免受電源引起的抖動的影響.
圖3:SiTimeMEMS振蕩器(下部線路)和石英振蕩器在存在50mV峰峰值電源噪聲的情況下的相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系有關(guān)EM-的測量結(jié)果和測試方法的更多詳細信息感應的相位噪聲和電源感應的相位抖動,請參見SiTime技術(shù)論文MEMS和基于石英的振蕩器的電磁敏感性比較.
MEMS振蕩器在整個溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更好的頻率穩(wěn)定性儀表設備可在各種環(huán)境中工作,并且通常在較寬的溫度范圍內(nèi)工作.MEMS振蕩器是高溫環(huán)境的理想選擇,因為它們在整個溫度范圍內(nèi)都能提供高度穩(wěn)定的時鐘信號.例如,在低功率儀表應用中使用的基于SiTimeMEMS的32.768KHz計時設備采用TempFlatMEMS™技術(shù),該技術(shù)可在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)出色的頻率.
圖4a:SiT153232kHz振蕩器穩(wěn)定性 圖4b:SiT155232kHzTCXO±5ppm穩(wěn)定性
圖4a顯示了基于SiT1532MEMS的32.768kHz振蕩器的頻率穩(wěn)定性與溫度特性曲線.工業(yè)虛線(<100PPMp-p)的SiT1532規(guī)格限制以藍色虛線表示.紅色曲線顯示了使用基于石英的XTAL音叉類型的32.768kHz振蕩器的典型規(guī)格極限.圖4b顯示了基于SiT1552MEMS的TCXO(溫度補償振蕩器)的頻率穩(wěn)定性,該器件已在多個頻率點上進行了出廠校準(微調(diào)),以確保在整個溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性.
SiTime計時解決方案采用可編程架構(gòu)設計.各種各樣的規(guī)格已經(jīng)過工廠編程,可以在很短的交貨時間內(nèi)訂購和交付,從而為設計人員提供了廣泛的可配置選項.例如,可以在很寬的工作范圍內(nèi)以六位小數(shù)精度指定輸出頻率.SiTime設備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強度來控制上升和下降時間.此功能使設計人員可以更改輸出邊沿速率,從而降低系統(tǒng)內(nèi)的EMI.
此外,系統(tǒng)設計師可以在自己的實驗室中使用現(xiàn)場可編程振蕩器和TimeMachineII™振蕩器編程器對SiTimeMHz振蕩器進行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標準的尺寸,因此它們可直接替代石英晶振,并且可以在設計人員開發(fā)原型時輕松替代石英器件.
用于低功耗電池供電儀表的MEMS振蕩器:
燃氣表和水表通常由電池供電,通常采用無線通信子系統(tǒng).在這些應用中,低功耗至關(guān)重要.例如,地下水表設計為無需維修即可工作20年或更長時間,因此需要超長的電池壽命.定時組件可能會對系統(tǒng)電源和電池壽命產(chǎn)生重大影響.
MEMS kHz振蕩器的穩(wěn)定性高達±3ppm,也延長了電池壽命.改進的穩(wěn)定性通過減少所需的網(wǎng)絡計時更新來降低系統(tǒng)功耗.儀表內(nèi)的子系統(tǒng)可以長時間處于睡眠模式,并且仍與中央集線器保持同步.最后,與石英晶體相比,SiTimeMEMSkHz振蕩器可以驅(qū)動多個負載.這不僅降低了BOM(物料清單),而且還降低了系統(tǒng)總功率.
SiTime的低頻,低功率振蕩器是優(yōu)化功率的理想選擇.這些器件的功耗低至<1µA,并具有獨特的功能,可進一步節(jié)省功耗.例如,SiTime kHz振蕩器具有Nano Drive™,可降低擺幅輸出電壓.此功能使系統(tǒng)設計人員可以選擇輸出電壓以匹配下游PMIC或MCU輸入,并最大程度地減小負載電流.此外,定制的低頻可用性使電表設計人員能夠選擇最佳頻率以獲得最佳性能和功率.電表設計人員不再受限于有限數(shù)量的輸出頻率,而是可以使用定制頻率來降低功耗.
工程都在找的可提高電表性能的MEMS可編程振蕩器處理方案
從2005年開始MEMS可編程晶振就得到大力發(fā)展,并且用于各行各業(yè)的產(chǎn)品當中,SiTime晶振公司是世界范圍內(nèi),生產(chǎn)這種振蕩器中最知名的品牌之一,也是由他們家發(fā)現(xiàn)了降低MEMS振蕩器成本的方法,才會受到這么多的關(guān)注.雖然使用MEMS晶振的用戶很多,但一直以來都缺乏正確的處理方式指導,因此許多用戶對MEMS都不了解甚至是不熟悉,以下是針對某個應用的可編程晶振處理方案.
硅MEMS(微機電系統(tǒng))計時是提高計量設備可靠性和性能的創(chuàng)新技術(shù)之一.該設備需要具有穩(wěn)定頻率的強大定時組件,以提供準確的計時和與時鐘源的同步.由于基于MEMS的組件固有的堅固性和彈性,該技術(shù)正在迅速取代傳統(tǒng)的石英組件.除了更高的可靠性外,MEMS時序還提供了靈活,專門的功能,可改善系統(tǒng)性能,并縮短交貨時間.
隨著資源(通常是能源,天然氣或石油)的監(jiān)控迅速擴展,支持信息收集和傳輸?shù)男录夹g(shù)變得越來越重要.必須可靠,安全地捕獲和傳輸數(shù)據(jù),考慮到圍繞已安裝的計量硬件的不同位置和環(huán)境條件,這可能是一個挑戰(zhàn).例如,測量,收集和分析能源使用情況的智能電表或測量地震信息的電表提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),而這些電表必須長期提供可靠的信息.
MEMS振蕩器具有更高的可靠性,彈性和更多功能
儀表用于各種應用和環(huán)境,并且通常在高溫和/或高水平的噪聲,振動或沖擊的惡劣條件下運行.為了保證多年的可靠運行,計時組件必須具有很高的彈性.與石英諧振器相比,MEMS固有地由于其設計,更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝而變得更加堅固.與石英供應商不同,SiTime具有內(nèi)部專業(yè)知識,可以開發(fā)先進的MEMS諧振器和振蕩器IC,這些諧振器和石英晶體振蕩器IC采用的技術(shù)可以提高彈性和性能.這些功能使振蕩器具有極高的可靠性.SiTime是唯一對所有生產(chǎn)產(chǎn)品提供終身保修的計時公司.
SiTimeMEMS振蕩器具有以下功能:
1. 較高的工作溫度–MHz振蕩器高達125℃,kHz振蕩器高達105℃
2. 出色的頻率穩(wěn)定性–在整個溫度范圍內(nèi)
3. 自定義頻率–從1Hz到725MHz,精度為6位小數(shù)
4. <1FIT率(10億小時MTBF)時更高的可靠性–比石英振蕩器高30倍
5. 耐振動(70g振動)–最高可達石英振蕩器的30倍
6. 耐沖擊(50,000克沖擊)–比石英振蕩器高25倍
7. 低電磁敏感性(EMS)–比石英振蕩器好50倍
8. 對電源噪聲(PSNS)的低靈敏度–比石英振蕩器好10倍
9. 低功耗功能–非常適合電池供電的儀表/控制器
MEMS振蕩器更耐沖擊和振動:
電表通常部署在惡劣和/或偏遠的地方.它們可能會遭受諸如沖擊和振動力之類的危害,這些危害會降低石英振蕩器的性能并導致其失效.石英晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動引起的抖動,以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動較小,因為其質(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動引起的加速度施加到諧振器的力.SiTime MEMS諧振器是剛性結(jié)構(gòu),可在體模式下在平面內(nèi)振動,其固有的抗振性.
振動靈敏度或g靈敏度(以ppb/g表示)表示由加速力引起的頻率變化.圖1繪制了以ppb/g為單位的正弦振動引起的噪聲雜散,以證明與基于石英的振蕩器相比,SiTimeMEMS振蕩器在不同頻率下的振動靈敏度較低.
圖1:振蕩器對正弦振動的敏感性
為了在現(xiàn)實條件下模擬設備的性能,SiTime在各種條件下測試了具有類似規(guī)格的MEMS和石英振蕩器,包括正弦振動(如上所示),隨機振動和沖擊沖擊.要了解有關(guān)測量結(jié)果和測試方法的更多信息,請參閱SiTime技術(shù)論文MEMS和基于石英的振蕩器的沖擊和振動性能比較以及硅MEMS振蕩器的彈性和可靠性.
MEMS振蕩器高度抗電磁能量和電源噪聲:
電磁敏感性(EMS)是在會議應用中的重要考慮因素,因為電磁(EM)能量會顯著影響振蕩器的性能.與有源石英晶振相比,具有精心設計的模擬電路的MEMS振蕩器對EM噪聲不那么敏感.石英振蕩器封裝上的金屬蓋不能保證免受電磁力的影響.EMS的性能更多地取決于固有的諧振器阻抗和耦合機制以及振蕩器的模擬電路設計.基于標準的測試表明,SiTime振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設備,如圖2所示.
圖2:各種振蕩器上由EM引起的平均相位噪聲雜散
圖3顯示了對于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系,并將石英振蕩器與SiTimeMEMS振蕩器的結(jié)果進行了比較.如圖所示,在幾乎所有噪聲頻率下,SiTimeMEMS振蕩器的抖動都較低.與典型的石英振蕩器制造商不同,SiTime使用包括PSNS電路在內(nèi)的先進模擬設計技術(shù)為其MEMS振蕩器設計模擬電路,以保護振蕩器免受電源引起的抖動的影響.
MEMS振蕩器在整個溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更好的頻率穩(wěn)定性儀表設備可在各種環(huán)境中工作,并且通常在較寬的溫度范圍內(nèi)工作.MEMS振蕩器是高溫環(huán)境的理想選擇,因為它們在整個溫度范圍內(nèi)都能提供高度穩(wěn)定的時鐘信號.例如,在低功率儀表應用中使用的基于SiTimeMEMS的32.768KHz計時設備采用TempFlatMEMS™技術(shù),該技術(shù)可在整個溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)出色的頻率.
圖4a:SiT153232kHz振蕩器穩(wěn)定性 圖4b:SiT155232kHzTCXO±5ppm穩(wěn)定性
SiTime計時解決方案采用可編程架構(gòu)設計.各種各樣的規(guī)格已經(jīng)過工廠編程,可以在很短的交貨時間內(nèi)訂購和交付,從而為設計人員提供了廣泛的可配置選項.例如,可以在很寬的工作范圍內(nèi)以六位小數(shù)精度指定輸出頻率.SiTime設備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強度來控制上升和下降時間.此功能使設計人員可以更改輸出邊沿速率,從而降低系統(tǒng)內(nèi)的EMI.
此外,系統(tǒng)設計師可以在自己的實驗室中使用現(xiàn)場可編程振蕩器和TimeMachineII™振蕩器編程器對SiTimeMHz振蕩器進行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標準的尺寸,因此它們可直接替代石英晶振,并且可以在設計人員開發(fā)原型時輕松替代石英器件.
用于低功耗電池供電儀表的MEMS振蕩器:
燃氣表和水表通常由電池供電,通常采用無線通信子系統(tǒng).在這些應用中,低功耗至關(guān)重要.例如,地下水表設計為無需維修即可工作20年或更長時間,因此需要超長的電池壽命.定時組件可能會對系統(tǒng)電源和電池壽命產(chǎn)生重大影響.
MEMS kHz振蕩器的穩(wěn)定性高達±3ppm,也延長了電池壽命.改進的穩(wěn)定性通過減少所需的網(wǎng)絡計時更新來降低系統(tǒng)功耗.儀表內(nèi)的子系統(tǒng)可以長時間處于睡眠模式,并且仍與中央集線器保持同步.最后,與石英晶體相比,SiTimeMEMSkHz振蕩器可以驅(qū)動多個負載.這不僅降低了BOM(物料清單),而且還降低了系統(tǒng)總功率.
SiTime的低頻,低功率振蕩器是優(yōu)化功率的理想選擇.這些器件的功耗低至<1µA,并具有獨特的功能,可進一步節(jié)省功耗.例如,SiTime kHz振蕩器具有Nano Drive™,可降低擺幅輸出電壓.此功能使系統(tǒng)設計人員可以選擇輸出電壓以匹配下游PMIC或MCU輸入,并最大程度地減小負載電流.此外,定制的低頻可用性使電表設計人員能夠選擇最佳頻率以獲得最佳性能和功率.電表設計人員不再受限于有限數(shù)量的輸出頻率,而是可以使用定制頻率來降低功耗.
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