de Craig Bakke, Product Manager
Digi-Key
Atunci când trebuia luată decizia asupra ce trebuie utilizat ca sursă de ceas într-un proiect electronic, presupunerea uzuală a fost că singura alegere realistă pentru orice aplicaţie ce necesită o precizie chiar şi moderată era oscilatorul pe bază de cristal de cuarţ.
Cristalul de cuarţ a dominat piaţa timp de decenii, dar limitările sale deschid oportunităţi pentru noi tehnologii. Oscilatoarele cu cuarţ se bazează pe proprietăţile piezoelectrice ale materialului. Cristalul se deformează atunci când asupra sa este aplicat un puls electric. În mod invers, deformaţia conduce la generarea unui semnal electric. Aceste două aspecte ale efectului piezoelectric sunt utilizate în oscilatoare pentru a induce rezonanţă, astfel încât cristalul să oscileze într-o gamă îngustă de frecvenţe. Cheia de a controla frecvenţa şi domeniul de frecvenţă constă în dimensiunea şi forma cristalului. Cu cât mai mare este frecvenţa dorită a cristalului, cu atât mai mic este cristalul, dar cu cât este mai mic cristalul, el devine mai fragil şi mai dificil de realizat pentru siguranţă în funcţionare.
Schema unui oscilator tipic bazat pe cuarț cu capsulare ceramică.
Menţinerea unui control strâns al frecvenţei implică utilizarea unui număr de componente externe şi adesea conduce la reguli precise după care dispozitivul este plasat pe placă şi cât de aproape poate fi de alte părţi ale sistemului.
Pentru a oferi un semnal de ceas stabil, circuitul oscilator trebuie să fie protejat de interferenţe pe placă. Magistralele de date de înaltă frecvenţă pot introduce un zgomot de comutaţie în bucla de reacţie a oscilatorului, perturbând semnalul relativ slab produs de cristalul de cuarţ. În general, cea mai simplă cale de a proteja oscilatorul este de a păstra majoritatea traseelor de semnal şi componentele în afara unei “zone de excludere” de câţiva centimetri pătraţi pe PCB.
O problemă cu care se confruntă ceasurile cu cristal de cuarţ este deviaţia frecvenţei cauzate de temperaturi înalte din timpul lipirii. Produsele bazate pe cristal de cuarţ expuse la lipire prin retopire (reflow), în care excursia de temperatură poate atinge mai mult de 200°C pentru zeci de secunde, poate conduce la devieri de frecvenţă de până la ±5ppm.
Dispozitivele pe bază de cristal de cuarţ sunt de asemenea vulnerabile la şocuri şi vibraţii datorită modului în care cristalul trebuie să fie ţinut în capsulă. Ca rezultat, tendinţa de miniaturizare în electronică, precum şi solicitarea de dispozitive mai rezistente conduce la necesitatea unor alte opţiuni.
O structură MEMS de rezonator dreptunghiular tipic utilizând nitrură de aluminiu pentru masa în mișcare.
Tehnologia semiconductoarelor cu siliciu a ajuns în poziţia în care poate furniza o alternativă eficientă. Tehnologia MEMS (maşini micro-electro-mecanice) oferă o cale către dispozitive pe bază de siliciu pentru generarea de semnal de ceas, cu un număr în creştere de produse ce sosesc pe piaţă.
Componenta de bază a generatorului de ceas MEMS este un rezonator mecanic corodat pe o plachetă de siliciu, reglat să vibreze la o frecvenţă ţintă. Mase de diferite dimensiuni şi forme, inclusiv discuri şi structuri cu mai multe lamele au fost utilizate pentru a crea elementul vibrant, care în general este pus în mişcare utilizând interacţiuni electrostatice. Masa acestui tip de rezonator este extrem de mică – adesea de ordinul unei a zecea miliarda parte dintr-un gram. Masa mică poate fi utilizată pentru a genera frecvenţe ridicate, care ar necesita o tăiere a cristalelor de cuarţ dificilă şi scumpă.
Rezonatoarele MEMS pot fi construite utilizând o varietate de materiale bazate pe siliciu, precum siliciu mono-cristalin, poli-siliciu sau poli-siliciu- germaniu (poly-SiGe). Rezonatoarele sunt susceptibile de a absorbi umezeală. Un singur strat de apă poate coborî frecvenţa de operare cu sute de părţi pe milion, datorită creşterii masei rezonatorului. Pentru a preveni absorbţia, dispozitivele de temporizare MEMS trebuie să fie etanşate faţă de mediu.
Frecvenţele lor de rezonanţă vor devia de asemenea semnificativ cu temperatura – materialul devine mai moale cu creşterea temperaturii conducând la un coeficient de temperatură de până la −40 ppm/°C.
Totuşi, produsele MEMS sunt tipic mai puţin vulnerabile la variaţii de temperatură cauzate de lipirea prin retopire. De exemplu, produsele de ceas de timp real bazate pe MEMS de la Maxim Integrated au o deviere de mai puţin de ±1ppm în urma lipirii prin retopire, adică de cinci ori mai mică decât în cazul produselor echivalente bazate pe cristal de cuarţ. Fiind mult mai mici, produsele MEMS au o imunitate mult mai mare la şocuri şi vibraţii faţă de componentele bazate pe cuarţ.
Pentru a face faţă problemelor legate de devierea frecvenţei datorită temperaturii, ieşirea rezonatoarelor MEMS este tipic compensată electronic. Acest lucru poate fi făcut într-o manieră similară tehnicii utilizate pentru oscilatoarele cu cristal cu compensare de temperatură (TCXO).
O tehnică digitală este de a oferi un oscilator electronic de referinţă, bazat pe un amplificator de trans-impedanţă, alimentat la un sintetizator fracţional N şi o buclă de sincronizare în fază. Ieşirea oscilatorului de referinţă este măsurată în timpul calibrării la temperatura camerei şi comparată cu frecvenţa ţintă. Ieşirea este apoi măsurată la altă temperatură, iar rezultatele sunt stocate în memoria locală. Deoarece deriva cu temperatura este în mod normal monotonă, sunt suficiente numai câteva puncte pentru a oferi variaţiile de tensiune utilizate pentru comanda sintetizatorului de frecvenţă sau PLL pentru a oferi frecvenţa de ieşire necesară.
Pentru a îmbunătăţi performanţele rezonatoarelor MEMS, au fost aduse împreună aspecte legate de cuarţ şi MEMS, utilizând efecte piezoelectrice mai curând decât rezonanţă mecanică. IDT, de exemplu, produce oscilatoare piezoelectrice bazate pe MEMS. În aceste dispozitive, lamela este acoperită cu un film subţire din material piezoelectric realizat din materiale precum nitrură de aluminiu sau oxid de zinc.
Combinaţia structurilor conduce la un puternic cuplaj electromecanic, oferind factori de calitate ridicată şi mişcare de joasă rezistenţă, sau rezonanţă. Distribuitorii susţin că structura conduce la o mai mare stabilitate a frecvenţei pe termen lung şi la instabilitate mică. De exemplu, în cazul produselor IDT pMEMS instabilitatea este de sub-picosecunde pentru o frecvenţă de operare de până la 20MHz.
Pentru a asigura suportul în proiectare de sisteme de calcul, reţelistică şi comunicaţii de înaltă frecvenţă, care necesită surse în plaja 150MHz până la 200MHz – IDT dispune de avantajul său de a capsula împreună micile rezonatoare MEMS cu circuitele de condiţionare semnal pentru a oferi produselor sale pMEMS ieşiri de semnalizare diferenţială de joasă tensiune (LVDS) şi de logică pozitivă cuplată la emitor de joasă tensiune (LVPECL).
Pe lângă faptul că oferă o alternativă la utilizarea cristalelor de cuarţ, tehnologia MEMS creează de asemenea noi oportunităţi pentru materialele piezoelectrice. Pentru a oferi un mai mare control asupra frecvenţei, Epson-Toyocom a început să utilizeze o tehnică de micro-prelucrare pe cuarţ şi să dezvolte gama de dispozitive QMEMS pentru a crea noi forme precum platou inversat (inverted-mesa) – o structură adâncită cu pereţi drepţi şi fund plat într-un cristal de cuarţ plasat în apropierea electrozilor de excitaţie. Această formă permite operarea la frecvenţe mai ridicate deoarece reduce grosimea porţiunii oscilatoare a cristalului la numai câţiva micrometri. Partea mai largă dimprejur este lăsată ca suport pentru a menţine rezistenţa mecanică generală. Utilizarea secţiunii oscilatoare mai subţiri reduce de asemenea sensibilitatea dispozitivului la goluri de frecvenţă şi la schimbări termice.
O promisiune a MEMS este de a facilita integrarea ridicată. În principiu, structura rezonantă poate fi integrată în aceeaşi plăcuţă de siliciu cu circuitele de compensare şi de condiţionare semnal. În practică, cerințele de cost şi randament pornesc de la faptul că multe dintre soluţiile produselor MEMS de pe piaţă sunt soluţii cu două plăcuţe de siliciu. Silicon Laboratories a fost capabilă de a combina MEMS şi CMOS comercial în seria sa de produse Si50x.
CMEMS de la Silicon Labs este o tehnologie care permite post-procesarea tehnologiilor MEMS pe o plăcuţă CMOS de siliciu, utilizând poly-SiGe ca material structural al MEMS. Ea poate fi depozitată la temperaturi comparabile cu acelea utilizate pentru a produce legăturile metalice pe circuitele integrate CMOS convenţionale. Aceasta însemnă că procesul utilizat pentru depozitarea poly-SiGe nu va topi CMOS-ul existent şi materialul suport dacă depozitarea se va face direct în partea superioară a plăcuţei CMOS principale. Agenţii de corodare utilizaţi pentru a îndepărta materialul de sub rezonator astfel încât să poată vibra, sunt mai prietenoşi decât acidul fluorhidric şi alte substanţe corozive utilizate adesea în procesele dedicate MEMS.
Pentru a stabiliza frecvenţa de ieşire, oscilatoarele Si50x CMEMS implică tehnologia DSPLL utilizată de familia de circuite bazate pe cristale de cuarţ de la Silicon Labs, ce asigură o stabilitate totală de până la ±20ppm în 10 ani.
Schema unui oscilator tipic bazat pe cuarț cu capsulare ceramică.
Un pas mai departe este acela al părăsirii soluţiilor cu rezonatoare mecanice şi piezoelectrice, şi a utilizării unor soluţii complet electronice. Circuitele rezonatoare inductor-condensator (LC) au fost utilizate de câţiva ani ca surse de ceas de calitate relativ redusă pentru microcontrolere, dar aplicarea lor a fost limitată datorită instabilităţii lor pe termen scurt de zeci de mii de părţi pe milion. Îmbunătăţirea tehnologiei PLL aplicată produselor cu cuarţ şi MEMS a fost utilizată pentru a îngusta specificaţiile rezonatoarelor electronice, făcându-le acum utilizabile într-o gamă mai largă de proiecte.
Deoarece componentele sunt complet electronice şi ieşirea lor este controlată utilizând datele memorate într-un tabel de căutare, aceste dispozitive pot fi programate din fabrică pentru a oferi frecvenţa dorită în domeniul lor de ieşire. Produsele precum Si500 de la Silicon Labs’ de exemplu, pot suporta orice frecvenţă între 900kHz şi 200MHz cu o stabilitate totală de ±150ppm. Deoarece nu au părţi în mişcare, circuitele sunt practic insensibile la şocuri şi vibraţii şi sunt neafectate de căldura generată în timpul lipirii.
Mulţumită dezvoltărilor în tehnologia de procesare a siliciului, ceasul cu cristal de cuarţ nu mai este singura opţiune pentru proiectanţii ce doresc soluţii de temporizare de înaltă performanţă. Prin utilizarea MEMS, MEMS hibrid sau a controlului complet electronic, proiectanţii au acum acces la o gamă largă de dispozitive care pot răspunde cerinţelor de cost, rezistenţă la vibraţii şi siguranţă în funcţionare. ￭
Digi-Key
www.digikey.ro