A digitális elektronikai eszközök gyakorta vannak kitéve a környezeti hatásoknak, főleg kültéri alkalmazások esetén. Az egyik legfontosabb ilyen hatás a rezgés, vibráció, ami például járműelektronika esetén kiemelkedően nagy jelentőséggel bír. Ilyen mechanikai eredetű zavarok azonban nemcsak a rendszertől magától keletkezhetnek, hanem külső forrásokból is, mint például nehéz járművek közelben való elhaladása, szél, hűtőventillátorok és egyéb forgó villamos gépek által keltett vibráció is hat a digitális áramkörre.

6. A MEMS oszcillátor kevésbé érzékeny a mechanikai vibrációra

Mivel a rezonátor maga is egy mechanikai rendszer, a külső mechanikai eredetű zavarok a komponens tömege és a vibráció gyorsulása által meghatározott erőt ébresztenek, ami befolyásolja a rezonancia frekvenciát, frekvenciatolást és zajt eredményeznek a rezonátor kimenetén. Egyes nagyon stabil frekvenciát igénylő rendszerek (bázisállomások stb.) extrém esetben le is állhatnak emiatt. A MEMS rendszer tömege töredéke, általában három nagyságrenddel kisebb, mint a kristályé, az ezekben ébredő erők is nagyságrendekkel kisebbek, mint a kristály alapú megfelelőiknél, így az indukált frekvenciatolás is elhanyagolható marad. A SiTime MEMS oszcillátorok vibrációállósága mérések alapján tízszerese egy kristály oszcillátorénak.

7. A MEMS oszcillátor bármilyen frekvenciára elérhető

A kvarc rezonátor gyártástechnológiája korábban részletezett okok miatt hosszú gyártási és szállítási időt eredményez. Az egyik legfőbb oka ennek a világviszonylatban kisszámú kerámia tokozást gyártó beszállító, másik ok pedig abban keresendő, hogy minden frekvenciához egyedi vágás szükséges, ami elsősorban a nem szokványos frekvenciaértékek esetén extrém szállítási időkkel számolhatunk.

A MEMS komponensek esetében a kimeneti frekvenciát minden esetben a programozható szorzótényezőkkel állítható PLL-ek állítják elő (lsd. 3. ábra), ami széles frekvenciatartományon, akár hat digites pontosságú egyedi frekvencia beállítást tesz lehetővé. Mivel a szilícium MEMS oszcillátorok hagyományos félvezető gyártási technológiával készülnek és számtalan forrás áll rendelkezésre wafer gyártásra, a MEMS gyártókapacitás gyakorlatilag végtelen. A MEMS oszcillátor minta bármely frekvenciára programozva egy nap alatt készen van (USB interfésszel ellátott asztali programozó is létezik hozzá – Time Machine 2), a tömeggyártás esetén pedig előre programozottan is mindössze néhány hét alatt hozzáférhetőek az eszközök.

8. Az egész gyártmánycsaládra egyetlen kvalifikáció szükséges csak

A komponens kvalifikáció – elsősorban az autóiparban – nagy erőforrás igényű és időt rabló, kockázatos feladat. MEMS oszcillátorok használatával ez azonban optimalizálható. Egyetlen eszköz betervezése és jóváhagyása szükséges ebben az esetben akkor is, ha eltérő frekvenciájú, tápfeszültségű vagy pontosságú időzítésre van szükség egy későbbi NYÁK változat esetén, hiszen ezek a paraméterek mind programozással beállíthatók. Ilyen esetben általában elegendő az eredeti kvalifikációs dokumentáció az új körülményekre szóló kiterjesztése.

Más a helyzet kristály oszcillátorok és rezonátorok esetén, ahol más és más frekvenciák létrehozására más és más eszközökre van szükség. 60 MHz felett már nincs lehetőség fundamentális módú kristályok alkalmazására itt már harmadik harmonikus kvarc technológia szükséges. Az ilyen kristály rezonátor más ESR értékű, emiatt más – nagyobb erősítésű - oszcillátor IC szükséges a biztos induláshoz, ami további komponens jóváhagyást jelent.

A MEMS oszcillátorok energiatakarékossági jellemzői

A digitális áramkörök lelke a mikrokontroller, ami elemes táplálás esetére szinte mindig többszintű energiatakarékossági módokba kapcsolható. Azonban még a legalacsonyabb fogyasztású alvó módban is szükség van legalább a valós idejű óra (RTC) működtetésére, amit általában egy 32,768 kHz-es kristály rezonátor / oszcillátor időzít. Egy ilyen oszcillátor fogyasztása kb. 1-2 µA áramerősség és 3.0V feszültség mellett 2-3 µW. Egy IoT eszköz lítium eleméről általánosságban elmondható, hogy a hosszú ideig tartó alvási idő alatt ez a terhelés jobban meríti, mint a rövid ideig tartó tényleges üzem, így az elem élettartama szempontjából kritikus a 32 kHz-es oszcillátor fogyasztása. A SiT15xx család a szilícium MEMS oszcillátorok új generációját képviseli, mely elsősorban a hagyományos on-chip oszcillátorok, külső kvarc oszcillátorok és kvarc kristályok energia hatékony kiváltására készült. A MEMS oszcillátorok tipikusan 750 nA árammal táplálhatóak. Az új család további energiatakarékossági jellemzői az 1.2V-ig való működés, az 1 Hz-ig programozható frekvencia és a programozható kimeneti swing.

a. Programozható frekvencia:

Az alacsonyabb frekvencia jelentősen csökkenti a kimeneti terhelőáramot, példaként a 32,768 kHz működési frekvencia 10 kHz-re csökkentése 30%-os áramcsökkentést okoz, míg az 1 Hz-es üzem 99%-os megtakarítással jár. A SiT15xx MEMS oszcillátorok 1 Hz-től 32 kHz-ig programozhatóak, így jelentős energia megtakarítás érhető el velük.

Példa 10 pF terhelési kapacitás feltételezésével:

 • Vdd = 3.0V (átlag)

• Voutpp = 2.1V

• Idd Core = 750nA

• Idd Output Driver: (165nA/V)(2.1V) = 347nA

• Terhelőáram: (10pF)(2.1V)(32.768kHz) = 688nA

Teljes áramfelvétel = 750nA + 347nA + 688nA = 1785nA  

Ha a frekvenciát 10 kHz-re csökkentjük, akkor a következőképpen alakul az áramfelvétel:

• Terhelőáram: (10pF)(2.1V)(10kHz) = 210nA

Teljes áramfelvétel = 750nA + 347nA + 210nA = 1307nA

b. Programozható kimeneti feszültség (swing):

Egy új energia-megtakarítási mód érhető el az új generációs szilícium MEMS alapú oszcillátorok esetében, a NanoDrive technológia, mely a kimeneti feszültség programozhatóságát teszi lehetővé. A kimeneti szint teljes értéktől 200 mV-ig csökkenthető így megtakarítva akár az energia 40% -át.

7| A SiT 15xx MEMS oszcillátor család NanoDrive kimeneti szint programozása 200 mV-ig, energia megtakarítási céllal

Példa 10 pF terhelési kapacitás feltételezésével:

• Vdd = 3.0V (átlag)

• Voutpp = 2.1V

• Idd Core = 750nA

• Idd Output Driver: (165nA/V)(2.1V) = 347nA

• Terhelőáram: (10pF)(2.1V)(32.768kHz) = 688nA

Teljes áramfelvétel = 750nA + 347nA + 688nA = 1785nA  használata

Ha a frekvenciát 10 kHz-re, a kimeneti szintet pedig 500mV-ra csökkentjük, akkor a következőképpen alakul az áramfelvétel:

• Voutpp = VOH – VOL = 0.5V (VOH = 1.1V, VOL = 0.6V) 

Terhelőáram: (10pF)(0.5V)(10kHz) = 50nA

• Idd Output Driver: (50nA/V)(0.5V) = 25nA

Teljes áramfelvétel = 750nA + 50nA + 25nA = 825nA

A Time Machine szoftvercsomag része a cikkszám generátor, mely segítségével az 1. táblázatban foglalt paraméterekkel konfigurálhatjuk az oszcillátort.

Táblázat 1| A MEMS oszcillátorok programozható paraméterei

8| Oszcillátor programozása 8 MHz frekvenciára Time Machine II asztali programozóval    

Összefoglalás

A szilícium alapú MEMS oszcillátorok használata sok esetben indokolt kvarc kristály alapú rezonátorok vagy akár oszcillátorok helyettesítésére is, 8 területet érintve mutattuk be annak előnyeit. A MEMS technológia elemes táplálású készülékek esetében, ahol az RTC áramkör még alvó állapotban is bekapcsolt hlyzetben jelentős további előnyökkel bír. A SiTime új generációs SiT15xx oszcillátorcsaládját érdemes választani az elem élettartamának növelése szempontjából.

(Cikkünk első része ide kattintva érhető el.)