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來源：http://www.xlspa.cn 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(dāng)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(dǎo),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(yīng)用的可編程晶振處理方案.
硅MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))計(jì)時是提高計(jì)量設(shè)備可靠性和性能的創(chuàng)新技術(shù)之一.該設(shè)備需要具有穩(wěn)定頻率的強(qiáng)大定時組件,以提供準(zhǔn)確的計(jì)時和與時鐘源的同步.由于基于MEMS的組件固有的堅(jiān)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(kuò)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(jì)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(yīng)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(yùn)行.為了保證多年的可靠運(yùn)行,計(jì)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(shè)計(jì),更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝而變得更加堅(jiān)固.與石英供應(yīng)商不同,SiTime具有內(nèi)部專業(yè)知識,可以開發(fā)先進(jìn)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(jì)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(dá)125℃,kHz振蕩器高達(dá)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(dá)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(yuǎn)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(dǎo)致其失效.石英晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機(jī)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?yàn)槠滟|(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(shè)備必須使用大型專用包裝才能實(shí)現(xiàn)較低的g敏感度.
為了在現(xiàn)實(shí)條件下模擬設(shè)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(jī)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(yīng)用中的重要考慮因素,因?yàn)殡姶?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(shè)計(jì)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(jī)制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計(jì).基于標(biāo)準(zhǔn)的測試表明,SiTime振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設(shè)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(fù)面影響.電源噪聲靈敏度(PSNS)是模擬電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計(jì)模擬電路,以保護(hù)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(xì)信息感應(yīng)的相位噪聲和電源感應(yīng)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(shè)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?yàn)樗鼈冊谡麄€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(yīng)用中使用的基于SiTimeMEMS的32.768KHz計(jì)時設(shè)備采用TempFlatMEMS™技術(shù),該技術(shù)可在整個溫度范圍內(nèi)實(shí)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(lán)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(bǔ)償振蕩器)的頻率穩(wěn)定性,該器件已在多個頻率點(diǎn)上進(jìn)行了出廠校準(zhǔn)(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(jì)時解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì).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(shè)計(jì)人員提供了廣泛的可配置選項(xiàng).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(shè)備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強(qiáng)度來控制上升和下降時間.此功能使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師可以在自己的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,因此它們可直接替代石英晶振,并且可以在設(shè)計(jì)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?xì)獗砗退硗ǔＳ呻姵毓╇?通常采用無線通信子系統(tǒng).在這些應(yīng)用中,低功耗至關(guān)重要.例如,地下水表設(shè)計(jì)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(dá)±3ppm,也延長了電池壽命.改進(jìn)的穩(wěn)定性通過減少所需的網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(fù)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(dú)特的功能,可進(jìn)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(shè)計(jì)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(fù)載電流.此外,定制的低頻可用性使電表設(shè)計(jì)人員能夠選擇最佳頻率以獲得最佳性能和功率.電表設(shè)計(jì)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(dāng)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(dǎo),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(yīng)用的可編程晶振處理方案.
硅MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))計(jì)時是提高計(jì)量設(shè)備可靠性和性能的創(chuàng)新技術(shù)之一.該設(shè)備需要具有穩(wěn)定頻率的強(qiáng)大定時組件,以提供準(zhǔn)確的計(jì)時和與時鐘源的同步.由于基于MEMS的組件固有的堅(jiān)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(kuò)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(jì)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(yīng)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(yùn)行.為了保證多年的可靠運(yùn)行,計(jì)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(shè)計(jì),更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝而變得更加堅(jiān)固.與石英供應(yīng)商不同,SiTime具有內(nèi)部專業(yè)知識,可以開發(fā)先進(jìn)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(jì)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(dá)125℃,kHz振蕩器高達(dá)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(dá)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(yuǎn)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(dǎo)致其失效.石英晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機(jī)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?yàn)槠滟|(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(shí)條件下模擬設(shè)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(jī)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(yīng)用中的重要考慮因素,因?yàn)殡姶?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(shè)計(jì)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(jī)制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計(jì).基于標(biāo)準(zhǔn)的測試表明,SiTime振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設(shè)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(jìn)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(jìn)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計(jì)模擬電路,以保護(hù)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(shè)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?yàn)樗鼈冊谡麄€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(yīng)用中使用的基于SiTimeMEMS的32.768KHz計(jì)時設(shè)備采用TempFlatMEMS™技術(shù),該技術(shù)可在整個溫度范圍內(nèi)實(shí)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(jì)時解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì).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(shè)計(jì)人員提供了廣泛的可配置選項(xiàng).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(shè)備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強(qiáng)度來控制上升和下降時間.此功能使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)師可以在自己的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,因此它們可直接替代石英晶振,并且可以在設(shè)計(jì)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?xì)獗砗退硗ǔＳ呻姵毓╇?通常采用無線通信子系統(tǒng).在這些應(yīng)用中,低功耗至關(guān)重要.例如,地下水表設(shè)計(jì)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(dá)±3ppm,也延長了電池壽命.改進(jìn)的穩(wěn)定性通過減少所需的網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(fù)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(dú)特的功能,可進(jìn)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(shè)計(jì)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(fù)載電流.此外,定制的低頻可用性使電表設(shè)計(jì)人員能夠選擇最佳頻率以獲得最佳性能和功率.電表設(shè)計(jì)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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