Fiecare sistem electronic are nevoie de un dispozitiv de sincronizare. Rezonatoarele de cristal (XTAL) sunt de multe ori soluția. Totuși, oscilatorul, care împerechează, prin tehnologia MEMS, un rezonator cu un oscilator IC complet integrate într-o capsulă, oferă mai multe beneficii în comparație cu un XTAL. Proiectanții de sisteme nu mai trebuie să lucreze în jurul limitelor unui cristal cu problemele și riscurile de proiectare, date de parametrii cristalului: impedanța de mișcare mecanică, modul de rezonanță, nivelul de încărcare și câștigul oscilatorului.
În plus, capacitatea externă de încărcare trebuie să fie folosită pentru cristalele de rezonanță paralelă și aceasta ar trebui să țină cont de capacitatea parazită a PCB-ului și capacitatea integrată pe cip.
Oscilatoarele MEMS (Micro Electro Mechanical System) utilizează un rezonator de siliciu, în locul unui rezonator de dioxid de siliciu, care este utilizat în oscilatoarele cu cristale de cuarț. Oscilatoarele MEMS sunt produse în fabrici de semiconductoare, deoarece procedeele de fabricație asigură o calitate constantă a componentelor. Ele încorporează rezonatoare MEMS, care definesc frecvențe stabile.
Oscilatoarele MEMS sunt dispozitive de sincronizare care generează frecvențe de referință foarte stabile, putând măsura și timpul. Aceste frecvențe de referință pot fi utilizate pentru comanda sistemelor electronice, gestionarea transferului de date, definirea frecvențelor radio și măsurarea intervalelor de timp. Tehnologiile de bază utilizate în oscilatoarele MEMS s-au dezvoltat în anii 1960, dar au ajuns suficient de avansate pentru aplicațiile comerciale începând cu anul 2006. Generatoarele de ceas MEMS sunt dispozitive de temporizare cu ieșiri multiple pentru sisteme care au nevoie de mai mult de o singură frecvență de referință. Oscilatoarele MEMS reprezintă o alternativă foarte bună pentru oscilatoarele cu cristale de cuarț mai vechi și mai stabile, oferind robustețe și fiabilitate mai bune la vibrații și șocuri mecanice, cât și stabilitate la variațiile de temperatură.
Oscilatoarele MEMS fabricate de Jauch au frecvența de ieșire configurată prin utilizarea controlului PLL (Phase Lock Loop). O memorie on-chip OTP (One Time Programmable) este utilizată pentru stocarea parametrilor de configurare. Această arhitectură permite programarea cu ușurință a frecvenței de ieșire în intervalul de la 1 la 110MHz și de la 115 la 137MHz. Și versiunea 32.768kHz pentru RTC (ceas de timp real) este, de asemenea, disponibilă.
Rezonatorul de siliciu în sine nu are suficientă stabilitate a frecvenței la variații de temperatură pentru aplicații uzuale, dar compensarea exactă a temperaturii în circuitele oscilatorului permite o stabilitate excelentă a frecvenței la variații de temperatură. De exemplu, Jauch JSO15 TR, un oscilator MEMS de 32.768kHz, de putere ultra-scăzută, oferă o stabilitate a frecvenței de până la ±5ppm într-un interval de temperatură de -40°C …+85°C.
Jauch: Oscilatorul MEMS combină cipul de rezonator de siliciu cu un cip oscilator programabil. Cipurile de siliciu sunt montate împreună și ambalate în capsule standard QFN (Quad Flat No-Leads) sau CSP (Chip Scale Package).
Un oscilator de cristal folosește un cristal de cuarț tăiat în modul fundamental și un circuit oscilator simplu. Pentru fiecare frecvență, trebuie fabricat un nou cristal de cuarț, adică e o sarcină consumatoare de timp. Oscilatoarele de cristal nu necesită compensarea la variațiile temperaturii.
Stabilitatea lor în frecvență la temperatură este suficientă pentru cazurile obișnuite de utilizare. Oscilatoarele cu cuarț și compensare de temperatură pot obține aceeași stabilitate ca și oscilatoarele MEMS.
Un dezavantaj important al oscilatoarelor de cristal este susceptibilitatea cristalului la vibrații și pierderea stabilității în timp. Vibrațiile duc la deviația frecvenței dispozitivelor cu cuarț. Dispozitivele MEMS cu siliciu nu sunt sensibile la vibrații. Dispozitivele MEMS rezonează la o frecvență fundamentală într-un mod pe care vibrația incidentă nu o modulează. Oscilatoarele MEMS oferă MTBF până la 500 milioane ore, rezistență la șoc 50000g, rezistență la vibrații 70g. Oscilatorul de cristal poate oferi 14-38 milioane ore MTBF, rezistență la șoc 5000g și 10g la vibrații.
Oscilatoarele cu cristal de cuarț sunt stabile la zgomot electric, consumă puțină energie, au timp de pornire mic și stabilitatea de frecvență, dar pe măsură ce tehnologia evoluează, oscilatoarele MEMS au performanțe foarte aproape de cele de cristal.
Avantajele oscilatoarelor MEMS de la Jauch
• Fiabilitate extremă, rezistență la șocuri și vibrații: 500 de milioane de ore MTBF, rezistență la șoc 50000g, la vibrații 70g
• Serviciu de livrare rapidă pentru cantități mici
• Configurabile și personalizate
• Domeniu larg de temperaturi de funcționare: -55°C … +125°C
• Stabilitate de frecvență pe intervalul de temperatură de funcționare: ±20 ppm, ±5 ppm pentru versiunea 32.768 kHz
• Înlocuire 100% pentru capsule standard industriale de tip 2016 – 7050 QFN (Quad Flat No-Leads)
• Oscilatoarele MEMS utilizează un rezonator de siliciu în locul unui rezonator de dioxid de siliciu, care e utilizat în oscilatoare cu cristale de cuarț. Procesul de producție are loc în fabricile de semiconductoare. Acest lucru asigură o calitate constantă a componentelor.
Avantajele tehnice ale oscilatoarelor MEMS fabricate de Jauch
■ Rezistență ridicată la impact, șoc și vibrații: 10000g șoc și 70g vibrații
■ Domeniu de temperatură de funcționare mare: -55°C … +125°C
■ Stabilitate înaltă a frecvenței pe întreaga gamă de temperaturi de funcționare: ±20 ppm
■ Înlocuire pe amprenta compatibilă 100% pentru capsule standard QFN 2016, 2520, 3225, 5032 și 7050 (QFN = Quad Flatpack No-Lead)
■ Extrem de fiabile datorită procesului de fabricare a semiconductoarelor
Personalizate și configurabile
Jauch poate oferi timp scurt de livrare, deoarece oscilatoarele MEMS sunt configurate conform cerințelor utilizatorilor în centrul tehnologic din Germania. Un proces complet automatizat poate produce cantități de până la 5.000 – 10.000 în câteva zile. Probele pot fi expediate în 48 de ore. Datorită disponibilității rapide a produselor, este posibil să se efectueze modificări de ultimă oră design-in. Acest lucru permite dezvoltatorilor să aibă un grad ridicat de flexibilitate pentru proiectul lor actual.
JSO LC Oscilatoare MEMS
Gamă largă de frecvențe (1.0 MHz până la 137.0 MHz) și disponibilitate rapidă!
Seria de oscilatoare JSO LC MEMS de la Jauch poate fi configurată în funcție de specificațiile clientului și oferă o flexibilitate ridicată pentru dezvoltarea de aplicații unde este necesară o rezistență ridicată la șocuri și vibrații. Aceste oscilatoare MEMS sunt configurabile cu frecvențe de ieșire de la 1.0MHz la 137.0MHz. Acestea sunt disponibile cu o stabilitate înaltă a frecvenței de până la ±20ppm. Este disponibilă o opțiune de configurare pentru sarcini capacitive mai mari sau fronturi de semnal mai lente pentru a reduce radiația electromagnetică.
Sunt disponibile rapid schimbări de ultim moment în designul circuitului. Oscilatoarele MEMS din seria JSO LC ating valorile aproximative egale ale oscilatoarelor pe bază de cuarț în termeni de deviație de frecvență și fază. Datorită robusteții și fiabilității lor, aceste oscilatoare MEMS sunt potrivite pentru diverse aplicații în domeniul industrial și în produsele de consum.
Jauch MEMS Oscilator, seria JSO LC. Low power 1.8V, 2.5V, 2.8V, 3.0V, 3.3V. Iesire HCMOS/LVCMOS. Compatibil cu capsulele standard din industrie 2016 – 7050. Rezistență extinsă la vibrații, șocuri și temperatură.
Caracteristici produse
■ Oscilatoare MEMS pe bază de rezonator de siliciu
■ Interval de frecvență 1 MHz … 137 MHz
■ Stabilitate optimă a temperaturii ±20 ppm
■ Interval de temperatură mai mare -55°C … +125°C
■ Domeniu de tensiune de alimentare 1.8V … 3.3V
■ Compatibile cu toate capsulele și la amplasare pe PCB
■ Rezistență 10000 g la șoc și 70 g la vibrații
■ Fiabilitate extrem de ridicată
Înlocuire imediată pe PCB, pentru capsulele:
■ JSO21: 2016 (2.0 × 1.6 × 0.75 mm)
■ JSO22: 2520 (2.5 × 2.0 × 0.75 mm)
■ JSO32: 3225 (3.2 × 2.5 × 0.75 mm)
■ JSO53: 5032 (5.0 × 3.2 × 0.75 mm)
■ JSO75: 7050 (7.5 × 5.0 × 0.90 mm)
Servicii suplimentare
■ Centrul de configurare în Germania
■ Suport tehnic
■ Eșantioane gratuite expediate în 48 de ore
JSO AC Oscilatoare MEMS
Seria de oscilatoare JSO AC MEMS, e calificată conform standardului industrial AEC-Q100, fiind potrivită în special pentru aplicații din industria automobilelor. Această serie de oscilatoare este caracterizată de o gamă largă de temperaturi (gradele AEC-Q100 1 ~ 3) și imunitate ridicată la șoc și vibrații.
Oscilatoarele JSO AC sunt disponibile în 5 capsule SMD standard: 2016, 2520, 3225, 5032 și 7050.
■ JSO21: 2016 (2.0 × 1.6 × 0.75 mm)
■ JSO22: 2520 (2.5 × 2.0 × 0.75 mm)
■ JSO32: 3225 (3.2 × 2.5 × 0.75 mm)
■ JSO53: 5032 (5.0 × 3.2 × 0.75 mm)
■ JSO75: 7050 (7.5 × 5.0 × 0.90 mm)
Jauch Seria de oscilatoare JSO AC MEMS. Calificată AEC-Q100, pentru aplicații în domeniul auto.
■ Oscilatoare MEMS pe bază de rezonator de siliciu
■ Calificare AEC-Q100
■ Interval de frecvență 1 MHz … 137 MHz
■ Stabilitate optimă la variația temperaturii ±20 ppm
■ Interval de temperatură mai mare -55°C … +125°C
■ Domeniu de tensiune de alimentare 1.8V … 3.3V
■ Compatibile cu toate capsulele standard și la amplasare pe PCB
■ Rezistență 100000g la șoc și 70g la vibrații
■ Fiabilitate extrem de ridicată
Înlocuire imediată pe PCB, pentru capsulele:
■ JSO21: 2016 (2.0 × 1.6 × 0.75 mm)
■ JSO22: 2520 (2.5 × 2.0 × 0.75 mm)
■ JSO32: 3225 (3.2 × 2.5 × 0.75 mm)
■ JSO53: 5032 (5.0 × 3.2 × 0.75 mm)
■ JSO75: 7050 (7.5 × 5.0 × 0.90 mm)
Servicii suplimentare
■ Centrul de configurare în Germania
■ Suport tehnic
■ Eșantioane gratuite expediate în 48 de ore
JSO15 TR Oscilator MEMS
JSO15 TR oferă o stabilitate a frecvenței de neegalat a ceasului de 32.768 kHz, până la ±5 ppm în intervalul de temperatură de -40°C … +85°C. Această stabilitate excelentă a frecvenței este obținută prin schema de compensare precisă a temperaturii în timpul procesului de fabricație. Acest oscilator TCXO de 32.768 kHz este deosebit de insensibil și față de variațiile tensiunii de alimentare. Ieșirea activă e compatibilă cu LVCMOS, cu nivel între 0 și nivelul tensiunii de alimentare (“rail-to-rail”).
JSO15 TR e capabil să livreze la mai multe circuite simultan un semnal de ceas de 32.768 kHz, menținând în același timp consumul de energie sub 1.2 μA (tensiunea de operare e de obicei 1.8V fără sarcină). Consumul redus de curent permite utilizarea eficientă a acestui oscilator extrem de stabil. De asemenea, este posibil să se alimenteze intrările XIN ale circuitelor care sunt conectate în mod normal la cristalele de ceas sau de timp real (tuning fork crystals).
Frecvența are stabilitate înaltă la alimentare variabilă: JSO15 TR poate fi alimentat cu o tensiune variabilă de alimentare de 1.5 V … 3.63 V, în timp ce variația de frecvență rezultată e în limitele de ±1.5 ppm.
Zone de aplicare versatile. Datorită proprietăților sale remarcabile, modelul JSO15 TR este foarte potrivit pentru aplicațiile cu ceasul în timp real foarte precis, cum ar fi dispozitivele medicale mobile, sănătatea și monitorii de sănătate. Consumul redus de energie permite utilizarea în dispozitive de uzură, smartwatch și tracker de activitate, în care durata lungă de funcționare este o caracteristică importantă. Datorită stabilității excelente a temperaturii, JSO15 TR este alegerea perfectă pentru contoarele inteligente care sunt expuse unor variații mari de temperatură dacă sunt montate în aer liber.
Jauch JSO15 TR Oscilator MEMS de siliciu. Sursă de ceas ultra-stabilă de 32.768 kHz. Consum redus de curent. Rezistență la șocuri și vibrații. Capsula miniaturală 1508 (1.54 × 0.84 mm). Compatibil fără Pb, RoHS și REACH.
Caracteristici produse
■ Oscilator MEMS cu compensare a variaței temperaturii (TCXO)
■ Frecvență de ieșire 32.768 kHz
■ Stabilitate optimă a temperaturii ±5 ppm
■ Domeniu de temperatură -40°C … +85°C
■ Domeniu variabil de tensiune de alimentare 1.5V … 3.63V
■ Capsula CSP 1.5 × 0.8 × 0.6 (Chip Scale Package)
■ Rezistență ridicată la șocuri și vibrații
■ Fiabilitate extrem de ridicată
Aplicații
■ Ceasuri de timp real (RTC) foarte precise
■ Măsurători inteligente / Cititoare automate de măsurători (AMR)
■ Aparate portabile/Urmărirea activităților/
Ceasuri inteligente
■ Instrumente medicale mobile
■ Monitoare pentru starea de sănătate
■ Tablete/Telefoane mobile
Servicii suplimentare
■ Eșantioane de JSO15 TR disponibile în mod obișnuit din stoc
■ Eșantioane gratuite expediate în 48 de ore
■ Suport tehnic
WEB Info
Catalog MEMS Oscillators
https://www.jauch.com/downloadfile/581af946e7313_1d2fb9945266c5b52430/jauch_mems_catalogue_01-2018.pdf
Notă
Oscilatoarele MEMS vor înlocui în cele din urmă cuarțul, oferind costuri mai mici, timpi de cicluri de design și producție mai scurți, performanțe excelente la șocuri și vibrații și calitate superioară a semnalului.
Un raport al Mordor Intelligence analizează tipul oscilatoarelor utilizate în diferite industrii cu utilizatori finali. Datorită utilizării masive în industria auto, aparate portabile și IoT, piața oscilatoarelor bazate pe MEMS a fost în valoare de 138.51 miliarde USD în 2017 și se estimează că va crește până la 1286.71 miliarde USD, până în anul 2023, la un rată de creștere anuală (CAGR) de 40.58% în perioada 2018-2023.
https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/mems-based-oscillator-market
Avantajele pentru înlocuirea XTAL-urilor cu oscilatoare MEMS
1. Oscilatoarele sunt o soluție plug-and-play care simplifică foarte mult proiectarea sistemului.
Dacă folosiți un cristal, trebuie să aveți grijă să asigurați că circuitul oscilatorului nu suprasolicită rezonatorul de cristal. Suprasolicitarea rezonatorului poate duce la accelerarea îmbătrânirii rezonatorului cristalin și în caz extrem, poate deteriora cristalul. În schimb, rezonatoarele MEMS nu sunt afectate de îmbătrânire. Problemele de proiectare au fost eliminate cu oscilatoare MEMS.
2. Oscilatoarele MEMS oferă o calitate și o fiabilitate mult mai bune.
Calitatea și fiabilitatea sunt esențiale mai ales dacă sistemele sunt desfășurate în aer liber și expuse mediului unde stresul la vibrații și variații de temperatură trebuie să fie deosebit de robust. Rezonatoarele cu cristal de cuarț, deși în timp au ajuns la o tehnologie matură, implică un proces de fabricare complicat, în care fiecare rezonator individual este reglat la o frecvență, de obicei prin eliminarea electrodului metalic cu un fascicul de ioni. Acest pas are loc înainte de încapsularea cristalului și poate ca rezonatorul să fie susceptibil la contaminare. Acest proces, împreună cu alte complexități de prelucrare a cuarțului, au ca rezultat timpul mediu între defectări (MTBF) la cuarț de 14 … 38 de milioane de ore. Spre deosebire de procesele specializate de fabricație a cristalelor de cuarț, producătorii de oscilatoare MEMS utilizează tehnici standard pentru semiconductoare. Acestea includ producția de rezonatoare și circuitele integrate oscilator la nivel de placă, precum și lipirea la terminalele standard, apoi încapsularea din plastic. Încapsularea ultra-curată și ermetică făcută în vid asigură că structura rezonatorului e protejată și fără contaminare, eliminând mecanismele de îmbătrânire. Ca rezultat, MTBF e de aproximativ 30 de ori mai bun decât la cuarț, oferind o platformă tehnologică foarte fiabilă ce suportă stresul sever al mediului și oferă o calitate superioară produsului la utilizatorul final.
3. Oscilatoarele de joasă frecvență MEMS consumă cu 65% mai puțin spațiu pe PCB.
Oscilatoarele MEMS sunt o soluție complet integrată și nu necesită componente externe precum condensatoare de sarcină și decuplare a alimentării. De exemplu, un cristal de cuarț (XTAL) de 32 kHz, necesită o suprafață totală pe placă (PCB) de peste 3 ori mai mare.
4. Oscilatoarele pot conduce mai multe sarcini, reducând costurile BOM (Bill of Materials) și PCB.
Un oscilator e un circuit activ cu un driver de ieșire, de obicei capabil să comande 2 sau 3 sarcini, în funcție de puterea de acționare. Aceasta permite unui oscilator să înlocuiască mai multe cristale și condensatoare asociate, reducând BOM și PCB. De exemplu, un oscilator MEMS poate fi simultan: (1) RTC (ceas de timp real) la un procesor, (2) ceas de adormire (sleep) la o interfață Bluetooth (BLE), (3) oscilator la o interfață audio (DAC sau Codec).
5. Oscilatoarele MEMS sunt mult mai puțin sensibile la EMI.
Energia electromagnetică, care este comună în majoritatea sistemelor, poate fi preluată de traseele expuse de pe PCB conectate la rezonatorul cu cristal. Acest zgomot poate fi cuplat în circuitul de oscilator și apoi trecut la ieșire, adăugând un potențial bruiaj și zgomot la sistem. Oscilatoarele MEMS integrate nu au conexiuni PCB expuse între rezonator și circuitul oscilator, iar firele de legătură sau bilele care conectează rezonatorul MEMS la IC sunt extrem de scurte. Deci, oscilatoarele MEMS sunt mult mai puțin sensibile la EMI.
6. Oscilatoarele MEMS sunt mult mai puțin sensibile la vibrații.
Rezistența la vibrații este importantă deoarece sistemele electronice sunt expuse frecvent la mediu, în special sistemele poziționate în aer liber. Vântul, vehiculele grele și trenurile sunt câteva exemple de surse de vibrații externe. În plus, sistemele folosesc adesea răcire cu ventilatoare care produc vibrații. Aceste vibrații mecanice pot induce schimbarea de frecvență și zgomotul pe frecvența de oscilație a unui rezonator de cristal. Unele sisteme care necesită o frecvență foarte stabilă, cum ar fi stațiile de bază wireless și celulele mici, pot suferi eșecuri de comunicație datorită frecvenței variabile a sistemului și întreruperi de serviciu datorate vibrațiilor. Oscilatoarele MEMS sunt rezistente la vibrații, deoarece masa unui rezonator MEMS este de aproximativ de 1000 până la 3000 de ori mai mică decât masa unui rezonator de cuarț. Aceasta înseamnă că la o anumită accelerare impusă de vibrații sau șocuri mecanice, structura MEMS va fi supusă unei o forțe mult mai mici decât cuarțul echivalent la frecvență. Prin urmare, se determină o schimbare de frecvență mult mai mică. Oscilatoarele MEMS sunt de cel puțin 10 ori mai insensibile la vibrațiile mecanice în comparație cu oscilatoare cu cuarț.
7. Oscilatoarele MEMS sunt disponibile în orice frecvență.
Infrastructura de furnizare a cuarțului are mai multe constrângeri care pot conduce la termene lungi, pentru frecvențe la comandă, de 12 la 16 săptămâni sau chiar mai mult. O constrângere este dată de numărul limitat de furnizori de capsule ceramice. Altă constrângere este disponibilitatea limitată a opțiunilor de frecvență. La cristalele de cuarț, fiecare frecvență necesită o tăiere diferită a cristalelor, cu excepția cazului în care se utilizează o buclă programabilă de tip PLL. Cristalele pentru frecvențele non-standard necesită timp de fabricație.
Spre deosebire de rezonatoare cristaline, rezonatoarele MEMS se bazează pe o configurație standard de rezonator. Frecvența de ieșire a oscilatoarelor MEMS este generată de programarea PLL la diferite valori de multiplicare. Aceasta permite o gamă largă de frecvențe cu o precizie de șase cifre. Oscilatoarele MEMS bazate pe siliciu sunt fabricate prin procese tehnologice standard și de ambalare pentru semiconductoare.
Deoarece distribuitorii de oscilatoare MEMS folosesc infrastructura foarte mare a industriei semiconductoare, capacitatea este practic nelimitată.
8. O certificare pentru o întreagă familie de produse.
Componentele certificate pentru condițiile de utilizare finală pot consuma timp și resurse semnificative. Cu toate acestea, eforturile de certificare pot fi reduse cu ajutorul oscilatoarelor MEMS. Datele de certificare existente pot fi extinse parțial cu o nouă frecvență.
În contrast, fiecare frecvență XTAL necesită un martor diferit de cuarț. Și dacă un design necesită frecvențe peste 60 MHz, este adesea folosită o altă tehnologie diferită de cuarțul cu mod fundamental. Cristalele de cuarț sunt adesea folosite pentru frecvențe mai înalte. Acest mod poate introduce și alte cerințe pentru a asigura o pornire fiabilă (adică impedanță de mișcare mai mare și circuit oscilator diferit decât pentru modul fundamental), deci care necesită certificare.
Mărimea pieței de Oscilatoare MEMS s-a escaladat rapid în anul 2018: dominată de Jauch Quartz GmbH, DAISHINKU CORP., Microchip Technology, SiTime și altele – Prognoza 2024
Piața oscilatoarelor MEMS este segmentată pe baza tipului de capsulă în:
• montaj de suprafață
• cip
Pe baza benzii frecvenței, piața globală a oscilatoarelor MEMS este segmentată în:
• MHZ
• KHZ
Pe baza circuitelor generale, piața globală de oscilatoare MEMS este segmentată în:
• Oscilatorul MEMS simplu ambalat (SPMO),
• Oscilatorul MEMS cu compensare la temperatură (TCMO),
• Oscilatorul MEMS comandat de tensiune (VCMO),
• Oscilator MEMS cu Frecvență Selectată (FSMO),
• Oscilatorul MEMS controlat digital (DCMO),
• Oscilatorul MEMS cu spectru extins (SSMO).
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor autorizat al produselor Jauch
Detalii comerciale: birou.vanzari@ecas.ro
Detalii tehnice: emil@floroiu.ro