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应用场景

主流MCU时钟应用

●  32.768KHz有源晶振SIT1533和SIT1552与MCU时钟设计

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介绍

基于嵌入式微控制器(MCU)的系统历来依靠低频32.768 kHz石英谐振器驱动振荡器进行时间保持和故障恢复功能.TempFlat™MEMS SiT1533振荡器和SiT1552温度补偿振荡器(TCXO)是新一代更小尺寸的32.768 kHz 可提供具有成本效益,可靠性,改进频率稳定性的替代石英32.768 kHz振荡器的器件。

本应用笔记概述了低功耗MCU中使用的片内32 kHz振荡器模式以及SiT1533/SIT1552系列支持的不同驱动器设置。 SiT1533/SIT1552器件具有NanoDrive™,这是出厂设计的输出电压摆幅,以优化与现有振荡器维持电路的电源和连接。 本文档列出了

SiT1533/SIT1552

输出驱动器VOH / VOL设置的有效组合以及特定MCU的相关部件号:

1.Energy Micro EFM32
2.瑞萨电子RL78G13
3. STMicroelectronics STM32
4.德州仪器MSP430F2x
5.恩智浦LPC11xx
6.飞思卡尔Kinetis L4x / L5x
7.Microchip PIC18

特定于每个MCU的程序设计细节列在各个附录中本应用笔记。

MCU 32KHz振荡器工作模式

大多数节能MCU都采用片上32.768 kHz振荡器作为具有固定或可调反相增益级的皮尔斯振荡器的变体,如图1所示。

图1:典型的32.768 kHz振荡器框图,显示了晶振

该低频振荡器可以被配置为以三种不同的模式工作,如图所示图2

1.模式1:仅谐振器模式:驱动32.768 kHz石英谐振器
2.模式2:在XIN引脚上接受正弦波输入≥200mVpp
3.模式-3:旁路或关闭片上数字逻辑电平时钟输入振荡器。 对于与1.8V逻辑电平兼容的振荡器输入,摆幅较小可以利用SiT15xx支持的NanoDrive来节省额外的电力

图2:MCU片上32 kHz振荡器的工作模式。

SIT5xx 输出驱动电平

SiT15xx器件支持两种不同的输出驱动模式
1. NanoDrive™减少摆动,工厂可编程
2.铁路轨道全方位LVCMOS

NanoDrive减速摆动模式

在NanoDrive模式下,SiT15xx输出驱动器实现了各种电压摆幅和普通模式偏置电压,类似于通过32 kHz石英晶体驱动的Pierce振荡器的各种实现而持续的驱动电平。

对于直流偏置和摆幅电平敏感的32 kHz振荡电路,支持直流耦合VOH / VOL驱动电平。 每个VOH / VOL组合中显示正确的零件编号指示符! 参考源未找到..例如SiT153xAI-H4-D26-32.768将提供典型的驱动电平:VOH = 1.2V和VOL = 0.6V。 该设置的适用振荡器工作模式为Mode-1,如图2所示。

表1:允许的纳米驱动电平的矩阵

图3显示了在编程时SiT153x振荡器的典型波形输出NanoDrive模式:摆幅电压,Vswing = 0.7 V,VOH = 1.1V,VOL = 0.4V进入15 pF负载。2012套件的相应部件号是SiT1533AI-H4-D14-32.768。

图3:SiT153xAI-H4-D14-32.768输出波形为15 pF负载。

全速LVCMOS驱动

可以将SiT153x / SiT1552系列编程为产生全摆幅LVCMOS输出。图4显示了SiT153xAI-H4-DCC-32.768,1.8V VDD到15 pF负载的波形

图4:1.8V VDD至15 pf负载下的SiT153xAI-H4-DCC-32.768的LVCMOS波形

Energy Micro EFM32

EFM32系列微控制器基于面向低功耗操作的ARM Cortex-M0,M3或M4处理器核心。 EFM32采用低频晶体振荡器(LFXO),用于片上外设(包括RTC)和潜在的CPU内核。LFXO可以在连接在LFXTAL_N和LFXTAL_P引脚上的32.768 kHz石英晶体或外部时钟源 在LFXTAL_P引脚上。

默认情况下,低频晶体振荡器(LFXO)被禁用。 表2列出了LFXO振荡器的三种工作模式中的每一种的SiT15xx器件的最佳设置。

表2:三个EFM32 LFXO振荡器模式的SiT15xx配置

STMicroelectronics STM32

STM32L152RBT6是基于ARM的Cortex-M3 MCU。 内部RTC具有单独的精确低频(LSE)振荡器。 LSE振荡器具有为实时时钟(RTC),外设时钟/日历或其他定时功能提供低功耗但高度准确的时钟源的优点。 振荡器包含用于晶体连接的OSC32_IN和OSC32_OUT引脚。 作为选件,外部时钟源可以通过MCU注册的设置绕过片上振荡器而直接路由到OSC32_IN引脚。 默认情况下,LSE振荡器关闭。 与EFM32不同,LSE振荡器支持两种工作模式。表3列出了LSE振荡器的两种工作模式下SiT15xx的最佳设置。

表3:两个STM-32 LSE振荡器模式的SiT15xx配置

瑞萨电子RL78G13

R5F100LE是基于RL78内核的16位MCU。 MCU包括一个低频晶体振荡器(XT1),可用于定时外设(包括RTC)和核心(如果需要)。 XT1时钟振荡器具有两个用于晶体连接XT1和XT2的引脚。 可以通过设置XTSTOP位(时钟操作状态控制寄存器(CSC)的位6)来停止振荡。外部CMOS电平时钟也可以提供给EXCLKS / XT2引脚。

表4列出了XT1的三种工作模式中的每一种的SiT15xx的最佳设置振荡器。

表4:三个XT1振荡器模式的SiT15xx配置

德州仪器MSP430F2x

德州仪器的MSP430微控制器基于16位RISC CPU。 该架构结合五种不同的低功耗模式进行了优化,可在便携式应用中实现延长的电池寿命。 MSP430 MCU包括支持低系统成本和超低功耗的基本时钟模块。 基本时钟模块包括低/高频振荡器,可用于32768 Hz的低频手表晶体,谐振器或外部时钟源。 MCU有两个用于晶体连接的XIN和XOUT引脚。表5列出了XT1振荡器的三种工作模式中的每一种的SiT153x的最佳设置。

表5:两个LFXT振荡器模式的SiT15xx配置

恩智浦LPC11xx

LPC1100 MCU是基于Cortex-M0的MCU,速度高达50 MHz。 CortexM0处理器是为各种嵌入式应用而设计的入门级32位ARM Cortex处理器。 MCU具有几种低功耗模式,可在便携式应用中实现高性能的低功耗:睡眠模式,深度睡眠模式,掉电模式和深度掉电模式。

该MCU集成了提供32768 Hz时钟的低功耗RTC振荡器。 两个引脚RTCXIN和RTCXOUT用于32768 Hz晶振的连接。 尽管低功耗模式,RTC振荡器始终工作。 内部RTC振荡器不能旁路。表6列出了XT1振荡器适用工作模式下SiT153x的最佳设置。

表6:RTC振荡器模式的SiT15xx配置

飞思卡尔Kinetis L4x / L5x

Kinetis L系列MCU基于ARM Cortex-M0 +处理器。 这些处理器具有低功耗和高性能。 MCU的时钟分配系统包括多功能时钟发生器(MCS),晶体振荡器(XOSC)和实时时钟(RTC)模块。 石英晶体可以连接到EXTAL32和XTAL32引脚。 如果XOSC被旁路,外部时钟可能会提供给EXTAL32引脚。

XOSC集成了可调片上负载电容,由用户固件控制。 它们不包括将外部负载电容器连接到晶体。 有两种振荡器工作模式可供选择:高增益和低功耗配置。 高增益配置需要高电压电平。 下表列出了XOSC振荡器的两种工作模式下SiT153x的最佳设置。

表7:XOSC振荡器模式的SiT15xx配置

Microchip PIC18

PIC18 MCU是低功耗8位器件,允许灵活的时钟定制和简单的寄存器访问,使设计人员能够在省电应用中实现较低的平均功耗。 PIC18器件包括两个振荡器。 一个是在MHz频率范围内工作的高速振荡器。 第二个振荡器使用Timer1在低功耗低频下工作,并在核心和其他外设处于省电模式时继续工作。

辅助振荡器包括两个用于连接外部时钟源的T1OSI和T1OSO引脚。 下表显示了使用SiT153x器件作为时钟源时的两种可能模式。 为了达到最低功耗SiTime建议使用旁路模式(Mode-3)。 这消除了片上辅助振荡器电路消耗的额外电流。

表8:辅助振荡器模式的SiT15xx配置

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●  优化SiT15xx驱动器设置32 kHz晶体输入低功耗MCU程序设计细节(一) Energy Micro EFM32 、STM32、RL78G13 XT1

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附录A:对EnergyMicro EFM32 LFXO进行编程

EFM32时钟管理单元

所有片上振荡器由时钟管理单元(CMU)控制。 CMU提供了对所有外设模块进行单独配置和打开/关闭时钟的功能。 可以将外部时钟源连接到LFXO的LFXTAL_N引脚。通过在MU_CTRL [12:11]中配置LFXOMODE字段,可以绕过LFXO。

表9:CMU_CTRL - CMU控制寄存器

表10:LFXOMODE字段

要绕过片内振荡器,将“0x2”写入LFXOMODE [12:11]字段。

当在CMU_OSCENCMD中将1写入LFXOEN时,振荡器设置生效。

当在CMU_OSCENCMD中向LFXODIS写入1时,振荡器设置将复位为默认值。

表11:CMU_OSCENCMD - 振荡器使能/禁止命令寄存器

表12:OSCENCMD - [31:3]字段说明

表13:CMU_STATUS - 状态寄存器

表14:CMU_STATUS - [14:8]字段说明

配置LFXO

以下是IAR Embedded Workbench IDE中LFXO配置的代码片段:

1.通过设置CMU_OSCENCMD [8]中的LFXOEN位使能LFXO振荡器。

2.等待CMU_STATUS [9]中的LFXORDY位置1。 仅适用于XTAL模式,否则跳过此步骤。

LFXO能够以小信号幅度(100mV)的外部时钟源进行工作以上)。 可以通过配置LFXMODE字段来设置此模式(AC模式 - BUFEXTCLK)在CMU_CTRL [12:11]寄存器中(见表9)。

附录B:对STMicroelectronics STM32进行编程LSE振荡器

低速外部时钟振荡器 低速外部(LSE)晶体振荡器可以通过设置/清除来打开/关闭RCC_CSR [8]寄存器中的LSEON位。

表15:控制/状态寄存器(RCC_CSR)

RCC_CSR [9]寄存器中的LSERDY标志表示LSE晶体是稳定的还是不。 在启动时,LSE晶体输出时钟信号不会被释放,直到该位由硬件置1。如果在RCC_CIR [8](表16)中启用,则可以产生中断。

表16:时钟中断寄存器(RCC_CIR)

外部时钟源(LSE旁路)

可以将外部时钟源连接到LSE振荡器的OSC32_IN引脚。 这个通过设置RCC_CSR中的LSEBYP和LSEON位来选择功能(表15)。该具有〜50%占空比的外部时钟信号(正方形,正弦或三角形)必须驱动OSC32_IN引脚,而OSC32_OUT引脚应保持未连接(Hi-Z)。

LSE上的时钟安全系统

LSE振荡器上的时钟安全系统可以通过软件编写激活REC_CSR寄存器中的LSECSSON(表15)。 该位只能由硬件禁用复位或RTC软件复位,或LSE振荡器故障检测后。 LSECSSON必须在LSE和LSI启用(LSEON和LSION启用)并准备就绪(LSERDY和由硬件设置的LSIRDY),并且在RTCSEL选择了RTC时钟之后。该LSE上的CSS工作在所有模式:运行,睡眠,停止和待机。

如果在外部32 kHz振荡器上检测到故障,则不再提供LSE时钟RTC,但没有对寄存器进行硬件操作。 在待机模式下,唤醒是产生。 在其他模式下,可以发送中断唤醒。 软件必须然后禁用LSECSSON位,停止有缺陷的32 kHz振荡器(禁用LSEON),并且可以更改RTC时钟源(无时钟或LSI或HSE,使用RTCSEL),或采取任何所需确保应用程序的动作。

时钟能力

微控制器时钟输出(MCO)功能允许时钟输出到外部MCO引脚(PA8)使用可配置的预分频器(1,2,4,8或16)的配置寄存器相应的GPIO端口必须以备用功能模式进行编程。

可以选择七个时钟信号之一作为MCO时钟:

系统时钟(SYSCLK)
内部RC 16MHz(HSI)振荡器
内部65 kHz至4.2 MHz(MSI)振荡器
外部1至24 MHz(HSE)振荡器
PLL
内部低功耗振荡器(LSI)
低功耗32.768 kHz外部振荡器(LSE)

该选择由RCC_CFGR寄存器的MCOSEL [2:0]位控制(表17)。

表17:配置寄存器(RCC_CFGR)

注意:如果将LSE或LSI用作RTC时钟源,则RTC将继续工作在停止和待机低功耗模式,可用作唤醒源。 但是,当HSE时钟用作RTC时钟源,RTC不能用于停止和待机低功耗模式。

配置LSE

在配置LSE之前,重置RCC_CSR中的LSEON [8]和LSEBYP [10]位。

设置新的LSE配置。 如果需要旁路模式并设置,请设置LSEBYP [10]位LSEON位。 它可以同时执行。

IAR嵌入式工作台 IDE示例:

等待RCC_CSR中的LSERDY [9]位准备就绪。 这在使用外部时是适用的水晶。

附录C:瑞萨电子的编程RL78G13 XT1振荡器

XT1振荡器

XT1振荡器是具有低增益的电路,以实现低功耗。 那里是可以选择的CMC寄存器(表20)中的AMPHS1 [2],AMPHS0 [1]字段晶体的最佳增益

表18:振荡模式字段

配置XT1

1)将CSC [6]中的XTSTOP位置1以禁止XT1振荡器。
2)如果需要,更改振荡模式(AMPHS1,AMPHS0)。
3)通过设置/清除CMC中的EXCLKS,OSCSELS字段来设置振荡器模式寄存器(表20)。
4)清除CSC [6](表19错误!参考源未找到)中的XTSTOP位以使能XT1振荡器。

表19:CSC注册

表20:CMC注册表

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●  优化SiT15xx驱动器设置32 kHz晶体输入低功耗MCU程序设计细节(二) 德州仪器MSP430F2x、恩智浦LPC11xx、

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附录D:对Texas Instruments MSP430进行编程低频振荡器

MSP430 LFXT振荡器

LFXT1振荡器支持使用32768 Hz钟表晶体的超低电流消耗LF模式(XTS = 0)或HF模式下的高频晶体。 手表晶体与XIN和XOUT引脚没有任何其他外部组件。 软件可选的XCAPx位在LF模式下配置LFXT1晶体的内部提供的负载电容。 这个电容可以选择为1 pF,6 pF,10 pF或12.5 pF典型值。 额外的外部如有需要,可添加电容器。 LFXT1振荡器没有实现MSP430G22x0器件系列。

在HF模式下,LFXT1振荡器还支持高速晶振或谐振器(XTS =1,XCAPx = 00)。 高速晶体或谐振器连接到XIN和XOUT并要求两个端子上的外部电容。 当LFXT1处于高频模式时,LFXT1Sx位选择操作范围。 LFXT1可以与LF中的XIN引脚上的外部时钟信号一起使用或HF模式,当LFXT1Sx = 11,OSCOFF = 0,XCAPx = 00时。与外部使用信号,外部频率必须满足所选模式的数据表参数。 什么时候输入频率低于指定的下限,LFXT1OF位可能被设置为阻止CPU使用LFXT1CLK计时。

配置LFXT1振荡器的步骤:

1)将XTS中的模式设置为DIVAx中的分频值。
2)通过更改BCSCTL3中的LFXT1Sx位选择模式。
3)如果需要,启用内部电容器。 它由BCSCTL3中的XCAPx控制。
4)通过清除BCSCTL1中的XT2OFF来打开振荡器。

表21:BCSCTL1,基本时钟系统控制寄存器1

表22:BCSCTL3,基本时钟系统控制寄存器3

以下是IAR Embedded的基本时钟模块示例的配置代码工作台IDE:

时钟能力 微控制器可以轻松地配置为从其中一个时钟对外部板载外设进行时钟它的引脚。 为此,您需要配置用于的PxSEL和PxSEL2功能寄存器选择引脚功能。 必须通过PxDIR所需的设置将引脚配置为输出。

以下是配置它的IAR Embedded Workbench的代码:

表23:PxSEL和PxSEL2

低功耗模式

MSP430器件具有多种低功耗模式。 每个LPMx低功耗模式允许开发人员创建一个平衡功耗的应用程序。 低功耗模式在状态寄存器中配置了CPUOFF,OSCOFF,SCG0和SCG1位。该包括CPUOFF,OSCOFF,SCG0和SCG1模式控制位的优点状态寄存器是当前操作模式在中断期间保存到堆栈中服务程序。

ACLK时钟工作在LPM0-LPM3模式。 LPM4模式禁用CPU和全部时钟。

表24:状态寄存器

表25:低功耗模式和ACLK时钟

附录E:对NXP LPC1100 RTC进行编程振荡器

配置RTC振荡器

系统时钟块为芯片生成所有时钟。 系统块包含低电平频率RTC 32k振荡器。 它为位于单独的RTC块提供了一个时钟带电池备份的始终在线电压域。 RTC振荡器也位于永久接通电压域。 这些电路始终独立于低功耗工作模式。 RTC振荡器由RTCOSCCTRL轻松控制。

表26:RTC振荡器32 kHz输出控制RTCOSCCTRL

不可能绕过RTC振荡器。

外部时钟应适用于RTCXIN引脚。 时钟输出能力 LPC1100器件具有时钟输出功能,可以对IRS振荡器(系统)进行路由振荡器,看门狗振荡器或主时钟到输出引脚。 您可以配置MCU从板载外设的I / O引脚获取32768 Hz时钟。 要分发32k时钟CLKOUT引脚需要为主时钟域设置RTC时钟。

有几个这样做的步骤: 以下是LPCXpresso IDE的代码示例,用于配置时钟功能LPC11U68:

表27:系统时钟控制SYSAHBCLKCTRL

表28:主时钟源选择MAINCLKSEL

表29:数字引脚控制寄存器ICON(PIO0_1)

表30:CLKOUT时钟源选择CLKOUTSEL

表31:CLKOUT时钟分频器CLKOUTDIV

表32:系统PLL时钟源选择SYSPLLCLKSEL

表33:系统PLL时钟源更新使能寄存器SYSPLLCLKUEN

表34:主时钟源更新使能寄存器MAINCLKUEN

表35:CLKOUT时钟源更新使能寄存器CLKOUTUEN

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●  优化SiT15xx驱动器设置32 kHz晶体输入低功耗MCU程序设计细节(三) 飞思卡尔Kinetis L4x / L5x、Microchip PIC18

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附录F:编程飞思卡尔Kinetis L4x和L5x系统振荡器

编程模型

MCU集成了管理时钟分配的两个模块。 选择和通过多功能时钟控制和编程系统时钟源的复用发电机(MCG)模块。 系统的时钟分频器和模块时钟门控的设置通过系统集成模块(SIM)编程。 系统振荡器,MCG和SIM卡寄存器控制多路复用器,分频器和时钟门。

注意。 OSC使能并开始生成时钟后,配置如低电平功率和频率范围不得改变。

振荡器模块具有用于连接晶体的内置负载电容器。 OSC0_CR控件低功耗模式运行和负载电容。 如果ERCLKEN和EREFSTENOSC0_CR置1,当MCU进入停止模式时,OSC处于工作状态。

表36:OSC控制寄存器(OSCx_CR)

系统振荡器支持32 kHz振荡器以及更高频率的晶体(3至32 MHz)。 OSC模块输出三个时钟:

OSCCLK为MCU系统
用于片上外设的OSCERCLK
OSC32KCLK

MGC_C2 [5:4]中的RANGE0位定义了晶体振荡器的频率范围。 你必须清除RANGE0位以选择32 kHz操作的振荡器频率范围。

振荡器输出时钟(OSC_CLK_OUT)被关闭,直到计数器检测到4096为止其输入时钟周期(XTL_CLK)。 4096个循环完成后,计数器通过XTL_CLK放到OSC_CLK_OUT上。 这个计数超时用于保证输出时钟稳定性。

表37:MCG控制2寄存器(MCG_C2)

表38:MCG状态寄存器(MCG_S)

表39:系统选项寄存器2(SIM_SOPT2)

表40:MCG控制4寄存器(MCG_C4)

以下是CodeWarrior Development Studio中的代码示例,显示配置在模式1中运行SiT1533AI-H4。

时钟输出能力

MCU具有RTC_CLKOUT引脚,可以使用RTC 1 Hz驱动或使用OSCERCLK片上时钟源。 该选项的控制是通过SIM_SOPT2 [4]位。SIM_SOPT2 [7:5]位控制时钟源。

下面是配置由时钟源驱动的RTC_CLKOUT引脚的代码示例:

附录G:对PIC18 MCU次要编程振荡器

辅助振荡器是Timer1的一部分,可以通过定制Timer1进行配置寄存器。 Timer1可以在三种模式下工作:

计时器
同步计数器
异步计数器

Timer1需要时钟进行操作。 有三个时钟源:

内部时钟(系统时钟从高速振荡器或内部RC振荡器发送)
辅助振荡器(连接32 kHz晶振)
外部时钟(来自T1OSO引脚)

配置辅助振荡器时,用户必须提供软件时间延迟确保正常启动。 当Timer1使能时,RC1 / T1OSI和RC0 / T1OSO / T13CKI引脚成为投入。 这意味着TRISC的值被忽略,引脚读为0。

PIC18 MCU是可编程的简单器件。 所有Timer1配置都可以完成一个注册。 Timer1由T1CON(Timer1控制寄存器)控制。 它也包含Timer1振荡器使能位(T1OSCEN)。 Timer1可以通过设置或禁用清零控制位TMR1ON(T1CON <0>)。

表41:Timer1控制寄存器(T1CON)

以下是配置振荡器在模式1和模式3中运行的两个代码片段:

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工业自动化

●  MEMS振荡器高度抗电磁能量和电源噪声

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电磁敏感性(EMS)是应用中的重要考虑因素,因为电磁(EM)能量会显着影响振荡器的性能。与石英振荡器相比,具有精心设计的模拟电路的MEMS振荡器对EM噪声不那么敏感。 石英振荡器封装上的金属盖不能保证免受电磁力的影响。EMS的性能更多地取决于固有的谐振器阻抗和耦合机制以及振荡器的模拟电路设计。 基于标准的测试表明,SiTime振荡器的性能优于其他时钟设备,如图2所示。

图2:各种振荡器上由EM引起的平均相位噪声杂散

系统中的电源可能是不利于系统性能的主要噪声源,并且在打开和关闭电源时会放大此噪声。大部分噪声可以通过无源滤波器和去耦电容器滤除。但是,仍然存在一些噪声,电路板问题(例如接地反弹)会对时钟抖动产生负面影响。电源噪声灵敏度(PSNS)是模拟电路设计中使用的参数,它指示电路对电源噪声的鲁棒性。测试结果表明,SiTime振荡器的PSNS远远优于石英器件,包括设计用于满足高频,低抖动要求的石英表面声波(SAW)振荡器。

图3显示了对于50mV峰峰值电源噪声,积分相位抖动与电源开关噪声频率的关系,并将石英振荡器与SiTime MEMS振荡器的结果进行了比较。如图所示,SiTime MEMS振荡器的抖动在几乎所有噪声频率下均较低。与典型的石英振荡器制造商不同,SiTime使用包括PSNS电路在内的高级模拟设计技术为其MEMS振荡器设计模拟电路,以保护振荡器免受电源引起的抖动的影响。

图3:SiTime MEMS振荡器(下部线路)和石英振荡器在存在50mV峰峰值电源噪声的情况下的相位抖动与电源开关噪声频率的关系

MEMS振荡器在整个温度范围内表现出更好的频率稳定性 计量设备在变化的环境中且通常在较宽的温度范围内运行。 MEMS振荡器是高温环境的理想选择,因为它们在整个温度范围内都能提供高度稳定的时钟信号。 例如,在低功率仪表应用中使用的基于SiTime MEMS的32 kHz计时设备采用了TempFlat MEMS™技术,该技术可在整个温度范围内实现出色的频率。

                        图4a:SiT1532 32 kHz振荡器稳定性            图4b:SiT1552 32 kHz TCXO±5 ppm稳定性

图4a显示了基于SiT1532 MEMS的32.768 kHz振荡器的频率稳定性与温度特性曲线。工业温度(<100 PPM p-p)的SiT1532规格限制以蓝色虚线显示。红色曲线显示了使用基于石英的XTAL音叉类型的32.768 kHz振荡器的典型规格极限。图4b显示了基于SiT1552 MEMS的TCXO温度补偿振荡器的频率稳定性,该振荡器已在多个频率点上进行了出厂校准(微调),以确保在整个温度范围内具有极高的稳定性。

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●  MEMS振荡器耐冲击和振动提高工业设备可靠性

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随着资源(通常是能源,天然气或石油)的监控迅速扩展,支持信息收集和传输的新技术变得越来越重要。必须可靠,安全地捕获和传输数据,考虑到围绕已安装的计量硬件的不同位置和环境条件,这可能是一个挑战。例如,测量,收集和分析能源使用情况的智能电表或测量地震信息的电表提供关键数据,而这些电表必须长期提供可靠的信息。

硅MEMS(微机电系统)计时是提高计量设备可靠性和性能的创新技术之一。该设备需要具有稳定频率的强大定时组件,以提供准确的计时和与时钟源的同步。由于基于MEMS的组件固有的坚固性和弹性,该技术正在迅速取代传统的石英组件。除了更高的可靠性外,MEMS时序还提供了灵活,专门的功能,可改善系统性能,并缩短交货时间。

MEMS振荡器具有更高的可靠性,弹性和更多功能

仪表用于各种应用和环境,并且通常在高温和/或高水平的噪声,振动或冲击的恶劣条件下运行。 为了保证多年的可靠运行,计时组件必须具有很高的弹性。 与石英谐振器相比,由于其设计,更小的质量和超干净的制造工艺,MEMS本质上更坚固。 与石英供应商不同,SiTime拥有内部专业知识,可以开发先进的MEMS谐振器和振荡器IC,这些谐振器和振荡器IC采用的技术可以提高弹性和性能。 这些功能使振荡器具有极高的可靠性。 SiTime是唯一对所有生产产品提供终身保修的计时公司。

SiTime MEMS振荡器具有以下功能:

较高的工作温度– MHz振荡器高达125°C,kHz振荡器高达105°C 出色的频率稳定性–在整个温度范围内 自定义频率–从1 Hz到725 MHz,精度为6位小数 低于1 FIT率(十亿小时MTBF)的更高可靠性–比石英振荡器高30倍 耐振动(70 g振动)–最高可达石英振荡器的30倍 耐冲击(50,000克冲击)–比石英振荡器高25倍 低电磁敏感性(EMS)–比石英振荡器好50倍 对电源噪声(PSNS)的敏感性低–比石英振荡器高十倍 低功耗功能–非常适合电池供电的仪表/控制器

MEMS振荡器更耐冲击和振动

电表通常部署在恶劣和/或偏远的地方。它们可能会遭受诸如震动和振动力之类的危害,这些危害会降低石英振荡器的性能并导致其失效。石英晶体谐振器是悬臂结构,可能对机械力非常敏感,并且容易因振动而增加相位噪声和抖动,并因冲击而产生频率尖峰。

相反,MEMS谐振器的振动较小,因为其质量比石英谐振器低1000至3000。这减小了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。 SiTime MEMS谐振器是刚性结构,可在体模式下在平面内振动,其固有的抗振动性。

振动灵敏度或g灵敏度(以ppb / g表示)表示由加速力引起的频率变化。图1绘制了以ppb / g为单位的正弦振动引起的噪声杂散,以证明与基于石英的振荡器相比,SiTime MEMS振荡器在不同频率下的振动灵敏度较低。

图1:振荡器对正弦振动的敏感性

此外,SiTime振荡器在1.5 x 0.8 mm的微型封装(kHz振荡器)和2.0 x 1.6 QFN和SOT23-5小型封装(MHz振荡器)中提供0.1ppb / g的性能。 石英设备必须使用大型专用包装才能实现较低的g敏感度。

为了在现实条件下模拟设备的性能,SiTime在各种条件下测试了具有类似规格的MEMS和石英振荡器,包括正弦振动(如上所示),随机振动和冲击冲击。

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●  SiTime用于工业应用的低频低功耗MEMS振荡器

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寻找MHz振荡器的低功耗替代方案?现在,系统设计人员基于可编程MEMS定时技术提供了新的低频选项。该技术因其低频范围,低功耗以及对射频干扰(RFI)和机械应力源的弹性而成为工业传感器应用的理想选择。

传统上,如果系统设计者想要低于兆赫的输出频率,则他们的频率选项很少。对于传统的石英装置,晶体谐振器以特定的尺寸,角度和形状从坯料切割以实现每个频率。由于制造限制,石英供应商选择有限数量的频率来支持,特别是在较低频率范围内。

相反,MEMS谐振器基于标准谐振器配置。谐振器与振荡器IC / PLL配对,输出频率通过将PLL编程为不同的乘法值而产生。这使得频率范围非常宽,具有六位精度。

基于MEMS的μPowerSiT1569振荡器是工业传感器应用的理想示例和选择,因为其低频选项范围介于1 Hz和462 kHz之间。该器件在200 kHz时消耗的电流小于3μA。如果您需要更高频率选项,SiT1576振荡器的工作频率最高可达2 MHz。工作电源电压介于1.8V和3.3V±10%之间,启动时间小于300 ms。

MEMS技术提供抗冲击,振动和RFI的稳健性。对机械力的抵抗是由于MEMS的小型化。 MEMS谐振器的质量比石英谐振器小500至3,000倍。这非常重要,因为能量等于质量x加速度。与MEMS谐振器相比,相同量的应力加速(冲击或振动)对庞大的石英谐振器具有更高的影响。 SiT1569和SiT1576振荡器保证不受20,000g冲击和70g振动的影响。

SiT1569 XO:

过温稳定性:±50 ppm
工作频率范围:1 Hz至462 kHz
CSP-4:1.5 mm x 0.8 mm x600μm高度
超低功耗:100 kHz时典型值为2μA

SiT1576 TCXO:

过温稳定性:±5 ppm
工作频率范围:1 Hz至2 MHz
CSP-4:1.5 mm x 0.8 mm x600μm高度
超低功耗:100 kHz时典型值为8μA
两个部件都不受冲击/振动和RFI的影响

20,000克保证
时钟输出时没有可测量的RF频谱
经过RF抗扰度测试:80 MHz至3 GHz,1 kV / m

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●  SiTime扩频振荡器如何降低EMI电磁干扰

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1、介绍

随着当今电子系统中处理器速度和数据速率的提高,电磁干扰(EMI)已经成为设计师面临的主要挑战。在一个设备中产生的EMI可能阻碍其附近的其他电子设备的操作。

时钟发生器通常是系统中EMI的最大贡献者。方波时钟的频谱由基音和高次谐波的收集组成。过滤,屏蔽和良好的PC布局可以限制系统中的EMI,但它们增加了成本并消耗了宝贵的电路板空间。另一种方法是减少时钟产生的噪音。通过随时间缓慢调制时钟频率,基频和谐波频率的峰值能量将被减少。这种减少是有用的,因为FCC使用特定带宽内的峰值功率(通常为100 KHz)来确定EMI。

2、扩频优势

诸如SiT9001,SiT9002和SiT9003之类的扩频时钟的输出是通过用图1所示的32kHz三角波调制其PLL来进行调节。

图1.用三角波调制PLL

扩展配置文件包含多个用户可选参数:

1.传播类型:中心传播或向下传播
2.扩展百分比(或调制限制)

• 中心传播:±0.25%,±0.5%,±1.0%,±2.0%
• 跌幅:-0.5%,-1.0%,-2.0%,-4.0%

如果时钟频率为100 MHz,选择±1.0%的中心点将限制输出为99MHz至101 MHz。类似地,选择-2%的下降幅度将导致输出范围从98MHz至100 MHz。

三角波被选为调制信号,因为它在频域具有相当平坦的功率密度。图2显示了非扩展时钟和扩频时钟的频谱图。通过有意地将存储在非扩展时钟中的能量在小的频率范围内扩展,可以实现频谱幅度的降低。

图2.非扩展时钟和扩频时钟的频谱图由具有100KHz分辨率带宽的频谱分析仪测量

为了更好地了解扩频时钟的降噪优势,我们使用频谱分析仪测量125 MHz SiT9001的峰值功率,并且不使能扩展功能。在这个测试中,选择了-2%的下降。图3是频谱分析仪的输出。随着扩展功能的开启,EMI降低到扩展频谱的平均水平为13 dB(标记3 - 标记1),而峰值降低峰值为11 dB(标记3 - 标记2)。

图3.扩频时钟的降噪优势

3、扩频时钟中EMI降低的估计

通常期望能够估计纸张上的EMI降低而不诉诸于此实验室测量。用户可以使用以下公式进行此类估计:

公式1

其中S是峰 - 峰扩展百分比,fc是载波频率,RBW是频谱分析仪的分辨率带宽。对于时钟测量,RBW通常设置为100 KHz。
我们可以验证等式1的结果与测量值的关系。由于SiT9001的运行频率为125 MHz,下降幅度为2%,因此EMI降低:
EMI reduction = 10 log (0.02 x 125MHz)/100 KHz = 14 dB
计算值接近13 dB的测量峰值平均值。然而,由于扩频中的波纹,它比11dB的峰 - 峰值高3dB。当使用这些方程估计峰峰值EMI降低时,用户应牢记这一点。

为了更好地分析上述方程的准确性,我们测量了SiT9001在3种不同向下扩展百分比下的EMI降低,并将其与计算值进行比较。结果如图4所示。虚线表示计算值,而实线是使用Rohde&Schwarz频谱分析仪测量的峰值与平均值。从图中可以看出,计算值通常保持在测量的±1 dB以内。

图4.计算EMI降低与测量值

4、扩频对时钟谐波的影响

FCC符合性包括时钟的基频和谐波频率。第2节和第3节描述了扩频对基频的影响,但谐波如何?幸运的是,降低EMI的好处也适用于谐波。

从等式1可以看出,EMI降低量与频率成正比。为了验证这一点,我们测量了在其基频(100MHz),三次谐波(300MHz)和五次谐波(500MHz)下,具有和不具有2%向下扩展的100MHz SiT9001的频谱。结果如图5和图6所示。

图5. 100 MHz和300MHz的100 MHz SiT9001的频谱图

图6. 100 MHz和500 MHz的100 MHz SiT9001的频谱图

基频(100 MHz)扩频的EMI降低为12.09 dB,三次谐波(300MHz)增加到16.38 dB,在五次谐波(500 MHz)时增加到17.06 dB。换句话说,扩展频谱降低了时钟输出中所有频率分量的EMI。

5、结论

SiTime扩频振荡器在其输出端提供出色的EMI降低,使其在噪声敏感的应用中非常有价值。

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IoT和移动设备

●  IoT和可穿戴设备--MEMS硅晶振高精度解决方案

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利用32 kHz MEMS硅晶振提高精度

频率稳定性的老化和变化是导致时钟不准确的误差源。 频率稳定性是时钟在电压和温度范围内的稳定性。 SiT15xx系列经过工厂校准(微调),以确保室温下的频率稳定性小于20 PPM,在40°C至+ 85°C的整个温度范围内均小于100PPM。 与具有经典的音叉抛物线温度曲线和25°C转换点的石英晶体不同,SiT15xx器件的温度系数在整个温度范围内极为平坦。 当工作电压在3.0V至4.3V之间时,该系列在整个工作温度范围内保持不到100 PPM的频率稳定性,而对于低至2.7V的低压工作则保持150 PPM的频率稳定性。

老化定义了时钟随时间变化的频率稳定性,通常以1年为间隔进行测量。 SiT15xx器件在25°C时的老化度为±3 PPM,而石英XTALs的老化度为±5 PPM。

利用32 kHz MEMS硅晶振提高可靠性

移动产品可能会遭受恶劣的环境。在各种条件下,例如机械冲击和振动,EMI和极端温度,MEMS硅晶振的性能优于石英器件。与石英相比,硅MEMS谐振器具有50,000 g的冲击力,70 g的振动和2 FIT的可靠性,其固有的耐用性和较小的质量使其坚固得多。

除了机械强度和FIT可靠性外,MEMS振荡器在整个温度范围内均具有可靠的启动。 MEMS硅晶振在同一封装内结合了正确匹配的谐振器和维持电路,从而消除了石英XTAL常见的启动问题。

总结

移动产品的设计人员和制造商需要能够实现快速创新的新解决方案。MEMS计时技术的进步迅速超越了石英计时。 现在,基于MEMS的硅晶振可提供领先的移动设备所需的尺寸,性能和功能。

• 超小型定时解决方案实现了更小,更薄的设计
• 低功耗振荡器,电池寿命更长,并具有独特的省电功能
• 更高的可靠性以及抗冲击和振动性
• 性能更高,稳定性和准确性更高

表4:石英XTAL与SiT15xx MEMS硅晶振的摘要比较

MEMS硅晶振采用可编程平台设计,因此具有很高的灵活性。 除了尺寸和性能优势外,MEMS时序还具有显着的供应链优势。 作为无晶圆厂半导体生态系统的一部分,SiTime充分利用了庞大的半导体制造,封装和测试基础架构,以极短的交付周期提供了经济高效的解决方案。

随着移动设备变得越来越复杂,时序要求也越来越高,SiTime的基于MEMS的超小型解决方案成为智能移动应用的理想解决方案。

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●  MEMS硅晶振在IoT和可穿戴设备中的应用和设计实例

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在可穿戴市场中,产品功能不断增强,同时它们必须消耗更少的功率和空间。 32 kHz MEMS时序解决方案可用于真正的每秒脉冲(pps)计时,RTC参考时钟和电池管理计时,以延长电池寿命并缩小占地面积。

 图7显示了典型可穿戴设备中的时钟需求。 低功耗32位MCU用16 MHz晶振运行以为内核和外设提供时钟,而32 kHz晶振则用于实时时钟。 MCU将数据发送到连接芯片,该芯片以32 kHz晶振运行,该晶振用于睡眠时钟计时。

图7:典型的可穿戴时序架构

图8展示了一种设计,其中可编程1Hz至32kHz SiT1534 MEMS振荡器用于传感器应用,而32kHz MEMS SiT1532参考时钟驱动MCU中的RTC。 在这种设计中,通过使用1.5 x 0.8 mm CSP振荡器,电路板空间减少到不到一半。

图9显示了一个架构,其中两个芯片需要32.768 kHz的定时解决方案。 一个是微控制器的参考时钟,另一个是蓝牙芯片的睡眠时钟。 在这种设计中,单个MEMS计时设备(SiT1532振荡器或SiT1552 TCXO)采用1.5 x 0.8 mm CSP微型封装,可驱动两个负载。 由于XO / TCXO可以驱动两个负载,因此一个32 kHz MEMS器件将取代两个32 kHz石英XTAL。 与采用两个采用2012 SMD封装的石英XTAL和四个所需的负载电容器的设计相比,这种封装的尺寸小八倍。 与BLE芯片的内部32 kHz RC温度相比,该设计还节省了大量功率,并使SiT1552的稳定性提高了100倍。

MEMS硅晶振耐用性提高了50倍

其应用的性质,物联网和可穿戴设备可用于各种环境,并且可能会遭受频繁且极端的机械冲击和振动。 在恶劣的环境中工作时,石英振荡器会退化并且不符合数据手册的规格。 一些石英振荡器对正弦振动和冲击特别敏感,并且会表现出明显的频率变化。 SiT15xx器件架构相对于石英器件具有更高的可靠性和对环境因素的适应能力。 SiTime谐振器的重量非常小(比石英谐振器小3000倍)和结构设计使其对外部力(例如振动和冲击)具有极强的抵抗力。摘要

基础技术的进步推动了快速增长的可穿戴和物联网领域的创新。 新型MEMS计时技术是支持更小尺寸,更低功耗和更高耐用性的趋势的关键支持技术之一。

基于MEMS的小尺寸32 kHz XO / TCXO提供了过去设计中基于180至200 ppm石英晶体的时钟源的替代方案。 MEMS时序可通过以下方式减少占用空间:

• 更小巧,独特的包装
• 更高的集成度,减少了部件数量
• 电路板布局灵活性
• MEMS时序可通过以下方式降低功耗
• 降低铁芯电流
• 更高的频率稳定性,可实现更长的睡眠状态>• 可编程频率
• 可编程输出摆幅电压
• MEMS时序可通过以下方式提高鲁棒性
• 更大的抗冲击和振动误差

随着物联网随着越来越小的电池供电设备而不断扩展,SiTime的超小型,低功耗,低频基于MEMS的振荡器提供了最佳的时序解决方案,并实现了笨重,精度不高的石英产品无法实现的新产品。

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●  IoT和可穿戴设备--MEMS硅晶振低功耗解决方案

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低电流消耗,延长电池寿命

低频,低功耗32 kHz计时设备广泛用于移动设备中,该设备连续打开以保持时间或控制睡眠模式。 这些低频振荡器还用于计时事件,例如电池供电设备中使用的电源管理IC(PMIC)中的监视和控制功能,或执行短系统唤醒以实现定时参考同步。

传统上,系统通过将音叉型或AT切割石英晶体连接至片上穿孔振荡器电路来生成32 kHz时钟信号。 这些石英计时振荡器始终处于打开状态,并连续消耗几微安培。 SiTime的SiT15xx 32 kHz MEMS振荡器消耗的电流不到一微安培,并且可以在1.2至3.63V的稳压或非稳压电源电压范围内运行。 图3绘制了一个SiT153x振荡器,在电源和温度范围内的功耗小于1μA。

图3:SiT153x在电源和温度上消耗的电流小于1μA

频率稳定性测试

如图4所示,与石英晶体相比,32 kHz MEMS定时装置的温度系数在整个温度范围内都非常平坦。SiT15xx振荡器经过校准(微调),以确保室温下的频率稳定性小于10 PPM,小于100 PPM在-40至+ 85°C的整个温度范围内。相比之下,石英晶体具有经典的音叉抛物线温度曲线,其转换点为25°C,如图4中的红线所示。

图5绘制了32 kHz MEMS TCXO的频率稳定性。在这些设备中,温度系数通过有源温度校正电路在整个温度范围内进行校准和校正。结果是32 kHz TCXO在整个温度范围内的频率变化小于5 ppm。这种低水平的频率变化可产生极其精确的时钟,从而可显着节省功耗。有了更高的精度,无线系统就不再依赖于网络计时更新,并且可以在睡眠模式下停留更长的时间。

图4:SiT1532 MEMS XO在25°C时的频率稳定性

图5:SiT1552 MEMS TCXO的频率稳定性比石英XTAL精度高30至40倍

微调至<10 ppm,  而石英XTAL在25°C时的温度范围为-160至-200 ppm

通过更好的频率稳定性延长电池寿命

频率稳定性,即时钟在电压和温度范围内的稳定性,可以转化为节电。许多移动设备通过在不活动时关闭具有最大电流消耗的功能块来降低功耗。但是,系统必须唤醒并定期与网络通信。更高的频率稳定性使该设备可以长时间保持在低功耗状态或睡眠状态,从而节省大量功率。

许多可穿戴设备通过诸如智能手机之类的Internet集线器设备不断收集数据,压缩数据并将其上传到云中。此上传文件会持续数毫秒的短暂突发传输,然后设备进入睡眠状态以节省电量。周期性睡眠场景是电池供电设备的典型情况,其中设备内核会关闭称为“睡眠时间”的预设时间,通常在2到10秒的范围内,并在需要在短脉冲期间传输数据时唤醒。连接事件是“ ON”时间,在此期间,设备的某些功能块会唤醒并在短时间内保持活动状态。

功耗与“开启”时间与设备在“睡眠”状态下花费的时间之比成正比。用于计时睡眠状态的32 kHz时钟的睡眠时钟精度(SCA)对电池寿命有直接影响。睡眠时钟的不准确性会导致无线电接收器(RX)提前打开并保持打开时间更长,以避免丢失主机发送的数据包。如图6所示,以PPM为单位的时钟误差会导致较早的开启时间(ΔT)。ΔT=(SCA)*(SLEEP TIME)。

图6:早期的ON时间(或窗口扩大)受时钟精度影响并导致功耗下降

下表显示,更严格的从时钟精度可减少早期的ON时间,从而降低功耗。

基于SiT1552 MEMS的TCXO在整个温度范围内的频率变化小于5 ppm,是比石英晶体更为精确的替代方案。 这种准确性减少了开启时间,并使系统保持在睡眠模式。 使用SiT1552,系统设计人员仅在需要时才可以利用压缩和短脉冲传输数据,同时将设备保持在最低功耗的睡眠状态持续较长的时间,并有可能实现两倍的电池寿命。 图7显示,与180 ppm 32 kHz石英晶体谐振器相比,使用5 ppm 32 kHz TCXO可以增加电池寿命。

图7:与石英XTAL谐振器相比,使用MEMS TCXO的电池寿命

可编程功能可延长电池寿命

SiT15xx器件中的模拟振荡器IC支持多种功能,包括低噪声维持电路,超低功耗精密PLL和超低功耗可编程输出驱动器。 具有亚赫兹分辨率的小数N分频PLL用于器件校准和从32.768 kHz到1 Hz的频率编程。 降低输出频率的能力大大降低了电流消耗。 由于谐振器在低频下的物理尺寸限制,Quartz XTAL不能提供低于32.768 kHz的频率。 通过较低的频率选项,SiT15xx系列为参考时钟始终运行的电池供电应用提供了新的架构可能性。

图8:独特的NanoDrive™输出摆幅可编程至200 mV,以最大程度地降低功耗

与标准振荡器不同,SiT15xx振荡器可以通过振荡器的高度可编程输出驱动器与片上32 kHz振荡器电路协同工作。 输出驱动器可以生成各种共模电压和摆幅,以匹配片上32 kHz振荡器电路的不同实现,如图8所示。该输出摆幅在出厂时可以设置为从全摆幅降至200 mVpp,以实现最低功耗。 降低输出频率和输出驱动器电流的能力大大降低了输出负载电流(C * V * F)。

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●  IoT和可穿戴设备--MEMS硅晶振小型化解决方案

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互联网上连接的设备或物联网(IoT)的爆炸性增长是由网络上人员,设备和数据的融合所驱动的。随着产品从笔记本电脑到口袋再到身体的过渡,可穿戴技术将极大地影响未来的增长。活动追踪器在每年发货量方面处于该细分市场的领先地位,其次是智能手表和医疗监视器/设备,以及可穿戴式相机和智能眼镜。 这些器件通过MEMS和传感器技术,无线连接以及新的节能功能的发展而得以实现。

可穿戴设备利用新的计时技术

所有电子产品都需要一个或多个计时设备,具体取决于处理器,分区和系统中的各种功能。 传统上,32.768 kHz晶体和低功率MHz石英振荡器已用于在电池供电的电子系统中实现时钟功能。 现在,新型的低电流,低频1 Hz至32.768 kHz MEMS振荡器比无处不在的32 kHz晶体时钟更具优势。

小尺寸和低功耗对于物联网应用和可穿戴设备至关重要。 成本也是一个重要因素,因为许多可穿戴设备属于消费类。 MEMS计时技术的创新为新型可穿戴应用中的空间和功耗节省以及提高可靠性和成本做出了重要贡献。

MEMS硅晶振方案的主要优势包括:

• 占地面积小
• 1.5 x 0.8mm CSP中最小的32 kHz占位面积; 比石英小80%  
• 振荡器输出可驱动多个负载并减少组件数量
• 与石英XTAL相比,精度更高
• 在整个温度范围内,32 kHz XO精度提高了2到3倍;在25°C下<10 ppm,在整个温度范围内为100 ppm
• 32 kHz TCXO在整个温度范围内的精度提高了30至40倍; 温度超过5 ppm
• 更低的功耗:比XTAL + SoC振荡器低30%至50%
• 32 kHz TCXO可将系统睡眠模式功耗降低多达50%; 5 ppm精度意味着更少依赖网络计时更新
• 传感器接口的可编程频率从1 Hz到32 kHz
• 更有弹性; 抗冲击和振动性提高50倍

所有MEMS硅晶振解决方案

与基于石英的器件不同,硅MEMS振荡器采用现代封装技术。 MEMS振荡器由一个MEMS谐振器芯片组成,该芯片安装在高性能,可编程模拟振荡器IC的顶部,该IC模制成标准的低成本塑料SMD封装,且占位面积与石英器件兼容。 为了满足超小型应用的空间要求,SiTime MEMS振荡器采用超小型CSP(芯片级封装)。 MEMS振荡器基于可编程架构,该架构允许定制功能,包括频率,电源电压和其他功能。

通过集成实现小型化,更小的封装尺寸和电路板布局灵活性

SiTime振荡器提供更高的集成度,新的封装选项以及其他有助于减小尺寸的功能。 SiT15xx 32 MEMS时序解决方案旨在替代对空间和功率至关重要的移动,IoT和可穿戴应用中的传统石英晶体。这些器件采用2.0 x 1.2 mm(2012)SMD封装,用于要求晶体(XTAL)谐振器兼容的设计。 SiT15xx 2012振荡器在两个大XTAL焊盘之间的中心区域具有电源(Vdd)和接地(GND)引脚,如图1b所示。

图1:与石英XTAL相比,32 kHz MEMS XO和TCXO的封装尺寸和引脚位置

对于更小的尺寸,SiT15xx器件采用CSP封装(图1a),与现有的2012 SMD晶体封装相比,可将占位面积减少多达80%,比1610(1.6 x 1.0毫米)XTAL封装小60%。由于SiTime的制造工艺,另一种选择是能够将MEMS谐振器裸片与SOC,ASIC或微处理器裸片集成到一个封装中。该选项消除了外部时序组件,并提供了最高的集成度和尺寸减小。由于晶体谐振器的局限性,石英供应商无法提供CSP或集成解决方案。

图2:与石英XTAL和所需电容器相比,32 kHz MEMS XO和TCXO的总占位面积

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安防和监控

●  DualMEMS振荡器技术--适应更恶劣环境变化

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自从早期开发以来,抗振动性和可靠性一直是MEMS振荡器的固有优势。 技术上的最新进展,尤其是SiTime的Endura MEMS振荡器系列中采用的基于双MEMS的新型架构,带来了更多优势,例如对快速温度上升的适应性和低相位噪声。 在量化这些好处之前,提供有关DualMEMS™技术和架构的简要概述以说明如何实现这些好处将是有益的。

图8给出了DualMEMS振荡器架构的框图。从框图左侧开始是包括两个MEMS的谐振器和温度传感器。一个谐振器用作温度传感器,利用其相对陡峭但线性的-7 ppm / C°频率与温度斜率的关系。该谐振器是TempSense(TS)谐振器。向下游锁相环(PLL)提供参考时钟的另一个谐振器被设计为具有相对平坦的频率vs.温度斜率,并且是TempFlat™(TF)谐振器。 TF和TS谐振器之间的频率比以30μK的分辨率提供了极其精确的谐振器温度读数。另一个关键特性是TF和TS谐振器之间的紧密热耦合,这是由于它们的100微米小间距以及它们在同一裸片衬底上的制造。这种构造实际上导致TF和TS谐振器之间没有热梯度。仿真显示在热通量下,TF和TS谐振器之间的温度偏移仅为52毫开尔文(m°K)。

图8. Endura DualMEMS框图和优势

相比之下,石英TCXO中的温度传感器集成在位于陶瓷封装基板上石英谐振器下方的IC中,如下图9所示。 石英振荡器结构中温度传感器和谐振器之间的空间分隔导致两个元件之间的热梯度很大,并且在经受快速热瞬变时会引入明显的频率误差。 石英和MEMS之间对快速热瞬态的响应将在本文后面进行量化。

图9. DualMEMS振荡器与石英振荡器的结构(横截面)

温度补偿架构的关键要素是温度数字转换器(TDC)。 如图10所示,该电路块产生的输出频率与TF谐振器和TS谐振器产生的频率之比成正比。 TDC具有30 microKelvin(μ°K)的温度分辨率和高达350 Hz的带宽。 这些功能可实现出色的接近载波相位噪声性能和Allan偏差(ADEV)性能。

当TCXO经受快速的温度瞬变时,TDC的高带宽与TF和TS谐振器之间的紧密热耦合相结合,导致频率误差最小。

图10.温度数字转换器(TDC)

对快速热瞬态的频率响应

图11是一个视频屏幕截图,展示了DualMEMS架构在快速热瞬变期间的优势。当将热风枪同时应用于两种设备时,捕获了此屏幕截图:DualMEMS Super-TCXO和领先石英供应商的±50 ppb载波级TCXO。为响应热风枪刺激,石英TCXO的峰峰值与标称温度之间的偏差高达650 ppb(-450 ppb至+200 ppb),超出其数据表规格的最大9倍。 

DualMEMS Super-TCXO几乎没有引起注意,最大约为3 ppb,并且远低于其100 ppb的规格极限。在瞬息万变的环境条件下,快速的温度瞬变恢复能力对于通信基础设施设备的性能和服务质量非常重要。请注意,Endura Super-TCXO基于SiTime的Elite Platform™的DualMEMS架构,将具有与Elite Super-TCXO相当的性能。观看完整的视频演示,了解对气流,电源电压和小冲击应力等附加应力的比较响应。

图11.在快速温度上升下±50 ppb电信级石英TCXO与MEMS Super-TCXO的屏幕截图

空气流动

气流是另一种系统压力源,会导致频率变化,并且是室外设备的潜在压力因素。 由于流出振荡器的热量变化,气流会导致芯片温度变化。 快速,湍流的气流会对从振荡器到环境的热流产生更明显的影响,在极端情况下,会引起振动效果。 图12用1秒至1,000秒的平均时间绘制了气流存在下的艾伦偏差。如图所示,使用1秒至10秒的平均时间,MEMS Super-TCXO的ADEV性能要比石英TCXO高38倍。

图12.气流存在下的MEMS Super-TCXO和Quartz TCXO Allan偏差

艾伦偏差是频率稳定性的时域量度。 ADEV优于标准偏差的主要优点是,它可以针对大多数噪声类型收敛,因此,它广泛用于表征TCXO等精密振荡器的频率稳定性。 出色的ADEV性能对于卫星通信和精密GNSS应用尤其重要,Endura Super-TCXO在这一关键性能指标上表现出色。

电源噪声抑制

除了诸如振动,环境温度变化和气流变化之类的外部环境应力外,还经常存在内部系统应力。例如,电源噪声可能来自附近数据线和开关稳压器的串扰。对于振荡器来说,在电源引脚上存在噪声的情况下保持良好的相位噪声和抖动性能非常重要,以保持良好的系统性能。电源噪声抑制(PSNR)是振荡器对电源噪声的弹性的度量,是在输出中观察到的抖动(以皮秒为单位)除以在电源引脚上注入的正弦确定性抖动的幅度(以毫伏为单位)的比率。通常,正弦抖动以50 mV的幅度注入电源引脚。图13显示了MEMS SiT9346差分振荡器(DE-XO)振荡器与来自六个不同供应商的石英振荡器在20 kHz至40 MHz噪声频率范围内的峰间抖动。

图13. MEMS DE-XO与石英振荡器的电源噪声抑制

如图所示,MEMS振荡器在PSNR方面表现出色。 MEMS器件表现出的低抖动是由于其多个片上低压降稳压器(LDO)隔离了诸如VCO,MEMS振荡器等关键组件的缘故。

应对航空航天和国防应用的时间挑战

在过去的十年中,MEMS振荡器技术得到了显着改善。 改进包括构成高性能振荡器的关键元件:谐振器,温度补偿电路,PLL和用于滤除噪声的片上稳压器。 基于抗冲击和抗振动的内在优势,最先进的MEMS计时技术还提供了一流的动态性能(对系统和环境应力的抵抗力),使其成为应对与之相关的挑战的理想选择 在恶劣环境中部署的设备。 下表1总结了与石英振荡器相比最新的SiTime Endura MEMS技术。

表1. Endura MEMS振荡器优势与石英振荡器的摘要

在可预见的未来,将继续在MEMS计时技术上进行额外的投资和创新,旨在改善相位噪声和频率稳定性,并使基于MEMS的计时成为未来几十年的首选解决方案。

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●  MEMS振荡器可靠性分析

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在MEMS谐振器设计中,设计人员可以控制谐振器的侧面形状,从而可以控制谐振模式。 MEMS从零开始就设计成没有与基本模式的寄生模式交叉,因此没有谐振器引起的活动骤降。 MEMS结构由纯单晶硅的单一机械结构组成。 抗拉强度为7 GPa,在330至500 MPa时是钛的约14倍。

图1. MEMS谐振器的扫描电子显微镜(SEM)视图

可靠性是任何设计的重要考虑因素,对于必须在恶劣环境条件下可靠运行的设备尤其重要。 图1示出了MEMS谐振器的SEM截面图。 在MEMS制造过程中,采用EpiSeal™工艺清洁谐振器并将其真空密封。 消除老化机制的这一过程是MEMS振荡器非常高质量和可靠性的基础。

SiTime的MEMS振荡器的质量小于1 DPPM,明显优于石英振荡器的典型故障率。 图2说明了与石英相比,MEMS振荡器的可靠性,以平均故障间隔时间(MTBF)衡量。 SiTime振荡器的MTBF速率为11.4亿小时,比石英供应商高30倍。

图2. SiTime MEMS振荡器MTBF与石英供应商的比较

MEMS老化

低老化率是使用密封EpiSeal工艺在超干净晶圆厂中构建MEMS的另一个好处。污染物被控制在非常低的十亿分之几的水平,并且1100°C的处理步骤使硅晶体退火并用作应力松弛处理。外延密封是在晶片水平上施加的,这在高真空下用很小的杂质或几乎没有杂质密封了外壳。由此产生的超净谐振腔和应力松弛实际上消除了谐振器的老化机制。任何老化机制都与封装相关的老化效果或CMOS IC老化有关,后者的老化速率非常低。

相比之下,通常将石英振荡器封装在开腔陶瓷封装中,并且将IC和石英谐振器分别通过不同类型的粘合剂粘结到封装基板上。而且,每个石英器件都可以通过在石英谐振器上进行金属沉积的烧蚀来分别修整,以将输出频率修整到所需规格。胶粘剂和金属修整物可能是污染的源头,可通过大量加载使石英老化,并降低长期可靠性。图3显示了典型的石英振荡器的结构。

较低的老化是MEMS振荡器结构的最终结果。 如图5所示,Endura Super-TCXO的典型20年老化规格为±540 ppb,而石英为±3,000 ppb(±3 ppm)。

图4. Endura MEMS Super-TCXO(92个器件)老化与典型石英老化规格

震动表现

基于MEMS的振荡器具有更好的抗冲击和抗振动能力,部分原因是MEMS谐振器的质量比石英谐振器低约1,000至3,000倍。 这意味着施加给MEMS结构的加速度(例如来自震动或振动)的加速度将比其石英等效值低得多,因此会产生低得多的频移。 图5显示了与石英谐振器相比的MEMS谐振器的结构和尺寸。

图5. MEMS和石英振荡器结构的比较

MEMS结构的优势如图6所示,图中绿色曲线显示了SiTime Endura MEMS Super-TCXO与石英TCXO相比的相位噪声。 在10 Hz至2 kHz的频带上,随机振动幅度为7.5 g均方根(rms)。 在该振动频带中,MEMS Super-TXCO的相位噪声降低了约20 dB。 在从10 Hz到2 kHz的振动频带上积分相位噪声表明,MEMS振荡器的积分相位抖动(IPJ)增加了1.2倍,而石英TCXO将IPJ增加了多达10倍。 在存在振动应力的情况下保持良好的相位噪声性能对于诸如移动车辆,飞机以及在振动机械附近部署的任何系统之类的系统非常重要。

图6.存在随机振动时的相位噪声,输出频率为20 MHz

振动灵敏度的另一种度量是所施加的每克正弦加速度的频率偏移。 最常见的度量单位是每g加速度的十亿分之一(ppb)频移,或ppb / g。 图7显示了在15 Hz至2 kHz的振动频率下30台Endura Super-TCXO SiT5346单元的总加速度灵敏度伽马矢量(在3个轴上)。 最大观测值仅为5.77 ppb / g,是业内最低(最佳)的振动敏感性。

图7. ppb / g振动灵敏度Gamma,15 Hz至2 kHz振动频率

弹药等某些应用的另一个重要参数是抗震性,这也是MEMS技术优于石英技术的另一个领域。 SiTime Endura产品经过了高达30,000g的冲击测试,远远高于大多数石英产品。 下图显示了典型石英设备和SiTime Endura MEMS振荡器的鉴定报告摘录。石英振荡器的额定质量为1500g,SiTime Endura MEMS振荡器的质量为30,000g。 为了更好地理解这种抗冲击性,在9毫秒的脉冲持续时间内,155毫米的炮弹经历了15500克的典型峰值后退加速度1。 典型的所需系统设计裕度是1.5倍,这意味着155毫米的炮弹组件应通过认证,最大重量为23,250克。 Endura振荡器30,000g合格品超出了此范围。

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●  MEMS振荡器适用于高可靠性关键型应用

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MEMS振荡器在航空航天和国防应用的坚固性能方面树立了新的标杆。 SiTime的革命性技术使振荡器坚固耐用,在气流,温度扰动,机械冲击,振动,电源噪声和电磁干扰(EMI)等恶劣环境条件下运行时,可提供最稳定的定时。

优势

在极端环境中具有精确的定时,在整个温度范围内具有更好的频率稳定性,抗冲击/抗振动能力以及高质量

宽范围内的频率,稳定性和电压的任意组合可确保每种应用的最佳运行

最少的维护和维护

特征

最高的耐用性和可靠性

0.004ppb / g加速灵敏度  

30,000g冲击,70g耐振动

十亿小时的MTBF,<1 FIT

±500 ppb 20年老化

在气流下具有出色的动态稳定性

±0.9 ppb /°C的频率斜率(ΔF/ΔT)

1.5e-11在静止空气和气流下的τ= 10秒时的ADEV,具有工厂可编程设备的最大灵活性

1至725 MHz(任何频率)

在温度稳定性上为±0.05 ppm至±50 ppm

-55°C至125°C的最大工作温度范围

片上稳压器消除了对外部LDO的需求

集成MEMS谐振器,无石英

MEMS谐振器封装在1100°C的硅中

谐振器设计成永不老化或疲劳

超低质量,抗冲击和振动

符合MIL-PRF-55310和MIL-STD-883规格

SiTime合作伙伴可提供标准和自定义向上筛选

SiTime是基于MEMS的定时解决方案的市场领导者。 我们将创新的MEMS和可编程模拟技术与我们的系统专业知识相结合,以提供业界最佳的定时解决方案,从而克服了传统石英产品的局限性。 我们的可配置产品提供了超稳定的时序,使客户能够以更高的性能,更小的尺寸和更好的可靠性来区分其系统。

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●  工业,汽车和消费类降EMI振荡器解决方案

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系统设计者可以通过使用SiTime的可编程MEMS定时解决方案,在不改变PCB布局或使用机械屏蔽的情况下实现电子干扰合规性。这些器件可通过扩频时钟或使用FlexEdge™功能或两者结合来降低EMI。 通过使用SiTime的Time Machine II编程器,设计人员可以在实验室中对EMI降低振荡器进行编程,并使用不同级别和技术的EMI降低技术进行实验,以实现EMI与系统性能的最佳平衡。

优势

在不更改电路板设计的情况下降低EMI

消除昂贵的机械屏蔽

确保最快的上市时间

获得“放心”的辐射合规性测试

特点

灵活的扩频选项

中心扩散:±0.125至±2%

向下点差:-0.25%至-4.0%

多达20个FlexEdge可配置的上升/下降时间选项

0.25ns至40 ns的压摆率(取决于负载)

三角或好时之吻的传播方式

1到220 MHz之间的任何频率

LVCMOS,LVPECL,LVDS,CML和HCSL输出类型

在-55°C至125°C范围内具有±20 ppm的频率稳定性

AEC-Q100合格,1至3级

5个标准振荡器套件,最小为2.0 x 1.6 mm

最佳抖动:每个周期8 ps

使用Time Machine II编程器即时编程

内部框图

参考电路

性能对比

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5G/通信

●  Elite Super-TCXO系列将温度扩展到105°C

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业内唯一具有±100 ppb频率稳定性(高达105°C)的高频(1至220 MHz)TCXO,成功部署在许多4G +和5G系统中,并获得6项行业奖项,即Elite Super-TCXO系列产品继续重新定义TCXO的性能。

很容易理解为什么。SiTime的Elite Platform™Super-TCXO采用DualMEMS™架构设计。该架构结合了世界上最精确的温度传感器,以及专有的温度补偿方案(TurboCompensation™)和低噪声频率合成器,可提供出色的动态稳定性,超低抖动,宽频率范围和可编程性。

什么能使已经成功的产品更加成功?更高的温度支持。

上周,Elite Super-TCXO系列发布了适用于扩展工业温度范围的批量生产。更高的温度支持使该产品系列能够满足更广泛的应用需求,包括空间,国防,汽车,网络,RF/无线,工业,航空电子,精确定位(GNSS,GPS)等。

主要功能包括:

• -40至105°C的环境温度
• 1至220 MHz LVCMOS或限幅正弦波输出
• 频率稳定度等级为±0.1,±0.2,±0.25,±0.5,±1和±2.5 ppm
• 最佳的动态稳定性,可抵抗气流和热冲击
• 没有活动下降或微跳
• 集成的LDO,用于过滤电源噪声
• TCXO,VC-TCXO和DC-TCXO操作模式
• 在额定温度范围之外的恶化降解

下图说明了在这个扩展温度范围内±0.1 ppm Super-TCXO(即SiT5356)的典型性能。

SiT5356频率稳定性(顶部)和斜率(底部)与温度的关系,在105°C时表现出优异的性能.

如果这听起来非常适合您的应用,请在Precision MHz Super-TCXO上了解更多信息或联系SiTime。

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●  如何解决恒温晶振OCXO能在任何地方稳定工作

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OCXO(恒温晶振)提供了时序性能的巅峰。很少有定时器供应商能够达到OCXO级稳定性,即大约±50 ppb(十亿分之一)或更高。由于OCXO提供Stratum 3E *级时序稳定性,因此它们用于高吞吐量通信网络,每个新一代都需要更严格的时序性能。展望未来,OCXO对于支持自动驾驶汽车等关键任务服务的新兴5G和IEEE 1588同步应用至关重要。

OCXO恒温晶振如何实现这种稳定性?

这些高精度振荡器设计用于通过将谐振器与温度补偿电路和加热元件一起封闭来保持温度变化下的频率,这是稳定性降低的主要原因之一。但即使这些“烤箱”设备设计为保持内部温度恒定,传统的OCXO仍然容易受到环境温度变化的影响,特别是当温度变化很快时。

这就是为什么设计师在将振荡器放置在电路板上的位置做出艰难决定的原因。 OCXO恒温晶振通常放置在远离风扇的角落,这会引起气流引起的热冲击并远离主处理单元,这会产生大量热量。但是,需要权衡将振荡器从其正在计时的芯片上移开,例如增加的布线复杂性和潜在的信号完整性问题。我们的一些客户不得不经历3到5个电路板布局迭代,以确定OCXO的最终稳定性。

在许多情况下,OCXO恒温晶振覆盖有用于隔热的特殊机械屏蔽。但这些封面通常不是现成的。他们需要寻找专业的供应商来设计和制作封面,额外的电路板空间以及额外的制造步骤以粘附封面。所有这些都需要时间和金钱,而且它们仍然不是万无一失的。

通过所有这些保护措施,OCXO仍然无法防范影响稳定性和性能的其他因素。诸如振动,湿度,时间(老化)和电源噪声(如电源电压或负载阻抗)之类的事情。这使得时序可能成为通信系统中最大的故障源。没有简单的方法可以缓解使用OCXO的所有麻烦和风险,至少在引入Emerald Platform之前,首先是基于MEMS的OCXO。

一种新的超级强大的解决方案

Emerald Platform恒温晶振是一款改变游戏规则的精确计时解决方案,可在动态条件下提供更好的可靠性和性能。它基于可编程平台,可支持1 MHz至220 MHz的任何频率,以及LVCMOS或限幅正弦波输出。与传统的石英Stratum 3E OCXO相比,这里有一些功能。

• 在气流和热冲击的情况下性能提高10倍• ±5 ppb频率稳定性超温• ΔF/ΔT动态稳定性:典型值±50 ppt /°C(ppt =万亿分之一)• 艾伦偏差(ADEV):气流下2e-11• 抗振性能提高20倍• 0.1 ppb / g• 没有活动下降或微跳• 最小的尺寸• 占地面积9 x 7 mm,小75%• 6.5毫米高,40%更薄• 还提供标准OCXO封装,可直接替换石英OCXO• 半导体级质量和可靠性• 消除石英OCXO的批次间不一致性• 无需对传入的批次进行抽样和测试• 无与伦比的易用性• 对PCB布局没有限制• 热隔离不需要机械屏蔽• 片上稳压器,无需外部LDO或铁氧体磁珠• 耐湿度

解决长期存在的时间问题

到目前为止,通信设备制造商不得不依赖于精密,难以使用的计时设备。 Emerald Platform旨在解决石英OCXO长期存在的问题,这些问题对环境条件敏感并需要采取保护措施。无论何处放置在板上,或者在现场部署,MEMS产品都能随时随地工作。

简而言之,设计师现在可以在晚上睡得更好,而不必担心OCXO的困难。设备制造商可以降低设计复杂性,加快开发时间,加快收入,并在系统真正需要时依靠稳定性。

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●  OCXO恒温晶振6种可编程功能使设计变得更加容易

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我们的OCXO恒温晶振系列的第一篇博客重点介绍了恒温硅晶振的基础知识,以及Emerald Platform™(一种新型MEMS Stratum 3E器件)如何通过解决与传统石英OCXO恒温晶振相关的电路板布局挑战,使设计和制造更加轻松。我们的第二篇博客讨论了电信应用的关键时序稳定性参数,并比较了MEMS硅晶振和石英竞争在这些参数下的性能。在这里,我们回顾一下Emerald Platform如何使设计和开发更容易,突出了与可编程性,尺寸和功率相关的六个优势。

首先,快速回顾一下Emerald如何解决下表所示的板级设计和制造问题。

传统的石英OCXO恒温晶振是从头开始定制的,并且在功能上有严格的限制。相比之下,Emerald Platform基于可编程架构,具有卓越的灵活性,独特的功能和较短的交付周期。此外,Emerald在SWaP(尺寸,重量和功率)方面非常优越。这一点很重要,因为电子设备变得更密集,更多地包装在更小的空间中,同时旨在消耗更少的电力并且需要更少的冷却。

以下列出了Emerald产品系列中的一些独特功能。

1.任何频率 - 介于1 MHz和220 MHz之间,精度最高可达6位小数。这允许设计人员为其时钟树选择最佳频率,而不会对性能和交付周期造成任何影响。

2.两种输出类型 -  LVCMOS和削波正弦波,上升/下降时间较慢。这允许设计人员根据应用需求选择能够提供更低抖动或更低EMI的输出。具有差分输出的MEMS OCXO硅晶振(LVPECL,LVDS,HCSL)即将推出。

3. I2C串行接口 - 用于系统内可编程性。这种即将启用的数字控制功能消除了与使用模拟电压控制的传统VCOCXO相关的板级噪声。这也可以消除将VCOCXO连接到SOC所需的低通滤波器。

4.可提供-40°C至+ 105°C的扩展工作温度。这是任何OCXO恒温晶振的最广泛范围,是户外5G应用的理想选择,因为热问题可能会导致系统运行出现问题。

5.尺寸最小 - 占地面积为9 x 7 mm(比石英小75%),高6.5 mm(缩短40%)。这消除了基于机箱的系统中的主要障碍,是高密度小型系统的理想选择。 Emerald器件还提供三种标准OCXO封装,可用作石英晶振的直接替代品。

6.低功耗 - 仅为0.6W,考虑到这些设备像小型烤箱一样运行,这是相当令人印象深刻的。这大约是传统耗电Stratum-3E设备消耗的一半,远远超过1W。

想测试Emerald的功能和性能吗?

设计人员可以使用评估和适配器板轻松检查Emerald OCXO在其系统中的优势(如下所示)。评估板具有SMA输出,可直接连接到测量设备,探测点可实现精确的波形测量,以及用于简便电流测量的连接器。

解决长期存在的设计问题

Emerald Platform旨在解决石英OCXO长期存在的问题。除了解决稳定性和其他性能问题外,Emerald解决方案还提供前所未有的易用性和前所未有的功能。 Emerald Platform降低了设计复杂性,消除了与石英设备相关的麻烦,从而为我们的客户提供了更好的最终产品和更快的收入时间。

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●  5G通信时序设计面临振动、温度变化等多种挑战

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如果您参与了蜂窝技术的设计,那么您就会知道复杂性是什么样子。 协议和标准像许多摇摇欲坠的构建基块一样堆叠在一起。 所有这些一起工作证明了精心的规格,精心的设计和谨慎的时机。

如今,5G风靡一时,而这次并没有什么不同-实际上,它将变得更加艰难。 与前几代产品相比,5G有望成为更多应用的首选解决方案。 因此人们的期望很高,这意味着必须再次仔细规划和实施规格,设计和时序,才能实现5G的承诺。

5G的关键在于计时

5G技术将给时序解决方案带来的压力远超过过去,这有很多原因。

频率越高,周期越短–必须在更少的时间内完成更多的工作。

将更谨慎地使用带宽;渠道会更紧密。这意味着可以容忍更少的时序偏差。

频率越高,范围越短,转弯能力越差。这意味着更多的无线电,每个无线电覆盖较小的区域。预计每个当前的4G无线电约为10或20个5G无线电。

这就是问题所在:无线电对无线电延迟预算为130 ns。这分解为两个无线电之间的每个网络节点10 ns的预算。从角度来看,GNSS计时精度为15 ns(占时间的99.7%)。这意味着更少的通道间干扰,有助于更好地使用带宽。您可能会认为这不是什么大问题-至少在正常条件下无法实现-但请尝试在所有条件下都保持这一时机

保持所有这些滴答声顺利进行所需的时序将给时序源带来难以置信的负担。 对于本地时序,将需要MEMS时钟的准确性,稳定性和可靠性。

网络时序的来源

5G系统中将有三个计时源。网络的主要来源是网络本身,它使用IEEE 1588标准来通过以太网接收定时以及同步定时的SyncE频率。但是,如果网络出现故障,那么您将无法把握时机来自网络。备份是GNSS,它提供每秒脉冲。不够精确,但很有用。但是,如果您的设备在GNSS信号不强的地方怎么办?您将需要花些时间直到网络恢复正常,否则设备也将出现故障。

图1.网络同步器选择了三个定时源之一,切换期间没有相位跳变。

因此,保持时钟的作用非常重要:保持本地时钟,该时钟一直持续到时序的主要返回源为止。就像飞轮一样,即使没有主动驱动,它也保持恒定速度旋转。这要求一个非常稳定的时钟源,而石英振荡器则不会出现“活动性下降”和突然的频率跳跃。

保持时钟必须持续多长时间取决于网络运营商;这没有标准。在边缘设备附近,保持时钟应在2或4个小时内漂移不超过1μs。同时,离后端越近,时钟不应漂移得更多在8或12或24小时内超过1μs。具体持续时间由网络运营商选择。例如,您可能会发现在印度,网络运营商需要更严格的规范-特别是因为基础架构的其他部分不够强大。

当然,您不能只是简单地在这些来源之间进行选择。 因为它们彼此完全独立,所以它们没有相位对齐。 如果您只是简单地从一个切换到另一个,则会出现相位跳变,这可能会导致明显的下游问题。 因此,网络同步器负责执行“隐藏”切换-选择输出时钟信号相位无中断的信号源。

是什么使时序变得艰难?

采取已经严格的4G时序,使其更紧密,然后将设备放在以前从未有过的严酷位置。 简而言之,就是5G,这对任何本地时钟源都提出了许多挑战。

振动

第一个问题是振动。 在更多地方(如路旁的电话杆上)安装更多无线电,您将在恶劣的环境中拥有更多设备。 想象一下,一辆重型卡车驶过并摇晃附近的一切。 定时源必须不受这种振动的影响。 石英振荡器很容易嘎嘎作响,而且只要振动持续下去,它们就有可能超出规格范围。 对于附近的长途货运火车来说,这可能是几分钟,或者在大风天,甚至可能更长。 相比之下,MEMS振荡器不会因振动而超出规格。

图2.石英TCXO对热,气流和快速温度变化敏感,表现出明显的频率变化,而MEMS TCXO在这些条件下非常稳定。

热量

5G设备将放置在任何可能的环境中。 这意味着某些设备会变得过热。 其他将在非常寒冷的条件下运行。 例如,明尼阿波利斯的相同设备在夏季和冬季可能必须应对极端温度。 而且,由于风扇容易出现故障,因此设计人员正试图将其排除在外,这意味着5G设备将不会内置散热装置。

在所有温度下保持定时准确都是非常困难的。 但是保持网络连接至关重要。 这意味着即使在极端温度条件下,网络也必须继续运行。 高性能MEMS振荡器可以在高达125°C的温度下清洁工作,并且具有很高的稳定性。

快速温度变化

好像还不足以在烈日和冰冷的条件下运行,您可以使温度急剧变化的条件变得更加困难。 举例来说,如果您去过西南地区,那里的锋面碰撞和流动的喷射流将冷热空气聚集在一起,则环境温度可能在几分钟内变化20°C。 这会给时钟源带来进一步的压力,因为随着温度的升高或降低,时钟源会暴露在尖锐的温度梯度下。 石英很难应付迅速的温度变化。 频率可能会跳升数百ppb(十亿分之一),超出规格范围,然后花费几分钟来恢复所需的频率。 相比之下,MEMS计时设备没有问题。

5G时序需要MEMS振荡器

借助5G设计,时间将比以往任何时候都重要。如果没有紧密而精确的时钟源,那么5G的承诺将只能保持如此大肆宣传。 MEMS振荡器的炒作变成了现实。这样,网络运营商才能确保自己的网络不会因计时功能而瘫痪。

SiTime公司的MEMS振荡器可以在5G设备所面临的各种条件下不受干扰地工作。与石英相比,MEMS振荡器: 额定温度高达125°C 具有十倍于石英的抗振性 没有微相位跳动,减少了掉话次数 具有100倍于石英的可靠性,最大程度地减少了卡车滚动(例如,SiTime在超过10亿个发货单元中出现了零现场故障)。

MEMS振荡器可以以五分之一的能量消耗来完成所有这些工作,这一事实意味着,与以往不同的是,这实际上并没有取舍。 MEMS有望成为计划在短短几年内投入使用的许多5G设计的时钟源。

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汽车与EV

●  MEMS振荡器对电源噪声和相位抖动的抑制

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MEMS振荡器可减少不必要的噪声

在当今联网汽车中部署的高性能信息娱乐和无线系统的数量不断增加,要求设计人员特别注意这些系统敏感的频率处存在的电磁能。 在AI服务器/ ECU或ADAS摄像机模块中,电磁干扰(EMI)可能会成问题,而后者取决于高速传输大量数据。 时钟可能是最大的噪声源,通常,直到鉴定的最后阶段才观察到这种EMI。 这可能会导致在设计周期的后期进行返工,从而导致计划外的延迟和成本。

图4:MEMS振荡器为相机模块等应用提供EMI降低功能

为了解决这个问题,SiTime提供了首款符合AEC-Q100标准的扩频振荡器(SSXO)SiT9025。该设备的光谱范围高达4%,分辨率为0.25%,采用2016年小型封装。 SiT9025通过两种技术降低EMI:扩频时钟和Fle Edge™可编程驱动强度,允许调整上升/下降时间以降低压摆率。通过使用这些EMI降低功能,SiT9025可以将噪声降低多达30 dB。

SiT9025 SSXO以及SiT8924 / 25和SiT2024 / 25振荡器具有可编程的FlexEdge™,并由SiTime的Time Machine II编程器支持[5]。设计人员可以在自己的实验室中使用此工具对EMI降低振荡器进行编程,并在不同级别上尝试不同的技术,以实现降噪与系统性能的最佳平衡。由于SiTime QFN器件是石英振荡器的直接替代产品,因此它们可以用于通过一致性测试,而无需进行任何电路板更换或使用昂贵的组件或屏蔽。

MEMS振荡器更坚固

车辆要经受苛刻的环境,例如高水平的机械冲击和振动力,这会降低石英振荡器的性能并导致其故障。 在这些条件下工作时,振荡器必须符合其规格。 如果振荡器不可靠,则有可能导致灾难性故障。 晶体谐振器是悬臂结构,对机械力非常敏感,会导致频率尖峰,增加的相位噪声和抖动,甚至损坏谐振器。

相反,MEMS谐振器的振动较小,因为它们的质量比石英谐振器小1000至3000倍。 这减少了由振动引起的施加到谐振器的力加速。 SiTime的MEMS谐振器是坚固的结构,可在平面内以块状模式振动,这种结构固有地具有抗振性。 这使得MEMS振荡器具有较低的g灵敏度等级,以ppb / g表示,代表了由加速力引起的频率变化。 SiTime的汽车级振荡器采用2016年小型塑料封装,可提供0.1 ppb / g的性能。 石英设备必须使用大型专用包装才能实现低g敏感度性能。

MEMS振荡器还具有抵抗电源噪声的能力,当板上的电源和其他设备开启和关闭时,电源噪声会放大。 这会增加输出时钟的抖动,并且对系统时序裕度产生负面影响。 例如,在ADAS系统中,当抖动加剧时,它可能会影响数据从传感器发送到决策引擎的速度。 在车辆环境不断变化的道路上,数据传输的滞后可能会造成灾难性的后果。

SiTime的SiT9386 / 87差分振荡器的RMS相位抖动(随机)小于300 fs(典型值),电源噪声抑制(PSNR)为0.02 ps / mV。 这些设备非常适合自动驾驶和汽车10G / 40G / 100G汽车以太网应用中的高性能AI处理,这些应用需要处理从摄像头,雷达,激光雷达和其他传感器捕获的大量关键数据。

图5:低抖动MEMS振荡器具有抗冲击,振动,电源噪声和热梯度的特性,使其非常适合用于ADAS系统的汽车以太网时序

为了在现实条件下模拟器件的性能,SiTime使用标准化的测试方法在各种条件下测试了具有相似规格的各种振荡器,包括正弦振动和随机振动。 如图6和7所示,SiTime的基于 MEMS的振荡器表现出出色的抗振动和板噪声的能力。 

图6:振荡器对正弦振动的敏感性

图7:振荡器对电路板噪声的敏感性

精准打造动态性能

除冲击,振动和电源噪声外,汽车系统还受到其他环境条件的影响,例如温度的快速变化和气流的流动,这些也会干扰定时信号。 当今的汽车使用定时设备来处理从信息娱乐到备用摄像机的所有内容,而自动驾驶系统则需要更严格的定时规范。 精密GNSS接收器和V2X通信系统是一些应用示例,这些应用要求极其精确和定时,并且不受环境压力的干扰。

最新一代的MEMS时序解决方案基于Elite Platform™构建,旨在在各种动态条件下保持非常紧密的稳定性。 该平台使用DualMEMS™架构和TurboCompensation™温度感测技术在环境压力下提供出色的频率稳定性。 SiTime的SiT5186 / 87和SiT5386 / 87 TCXO(温度补偿振荡器)提供高达±0.1 ppm的精确度,并在温度快速变化,气流,冲击,振动和电源噪声的情况下保持这种稳定性。


图8:Elite Platform TCXO经过精心设计,可在较大范围内保持最佳性能


总结

车载电子系统的日益广泛使用增加了对可靠的汽车级基准定时组件的需求。 当今最优质的汽车计时解决方案基于MEMStiming技术,该技术固有地比石英技术更坚固。 硅MEMStiming组件使用ICindustry开发的严格控制和标准制造。 这些流程和标准,再加上SiTime专有的MEMS和模拟IC技术,可产生超高质量的产品。 并且由于这些计时设备均基于硅,因此它们符合AEC-Q100,与AEC-Q200相比,具有更高的资格要求。 基于MEMS的定时解决方案可提供任何频率,更宽的温度范围,更紧密的频率稳定性,更好的封装选项,可编程的EMI降低功能,高质量和可靠性以及较短的交货时间。 最重要的是,SiTime的MEMS振荡器具有抵抗恶劣的汽车环境中存在的振动,电噪声,快速气流和温度瞬变的能力,同时能够继续可靠地工作并符合规范。 这种可靠性以及SiTime产品的灵活性,使其成为明天功能丰富的车辆的理想选择。

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●  MEMS振荡器提高汽车的可靠性

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随着汽车行业不断将基于电子的功能添加为标准设备,对可靠汽车级定时解决方案的需求也在不断增加。几十年来 ,定时元件都是基于石英晶体技术的,这也是以前唯一提供高稳定性和高性能的可行解决方案。然而 ,MEMS(微机电系统)时序解决方案正迅速取代石英元件 ,提供更可靠的高质量低成本替代方案。

汽车级MEMS时序组件的主要特点:

• 符合AEC-Q100扩展温度范围-55至+ 125°C
• 最宽的频率范围,从1 MHz到137 MHz
• 在±20 ppm处的最严格的频率稳定性
• 低振动灵敏度(g灵敏度)为0.1 ppb / g
• 最强劲的50公斤冲击力和70克的抗振性
• 超过10亿小时MTBF(<1 FIT)的最佳可靠性
• 2.0x1.6 mm DFN封装尺寸最小; SOT23-5具有最高的可靠性

MEMS硅晶振在汽车应用中得到验证

诸如加速度计和陀螺仪之类的MEMS传感器已经在汽车应用中用作主动安全装置多年。 加速度计检测速度的突然变化,使气囊膨胀并挽救生命。 当检测到转向控制丢失时,稳定性控制系统会自动进行自动更正,以不可见的方式改善操作并提高驾驶员和乘客的安全。

同样,MEMS谐振器非常可靠。 采用标准的半导体制造实践,MEMS时序解决方案完全采用硅制造。  在出货超过2.5亿台(截至2015年1月)之后,SiTime没有MEMS现场故障回报,DPPM也不到2台。 如图1所示,SiTime器件的平均故障间隔时间(MTBF)超过10亿小时(转换为FIT <1),比典型的石英器件好30倍。

图1:平均故障间隔时间(百万小时)的振荡器可靠性比较[2]

MEMS硅晶振包装,功能和性能

MEMS器件使用堆叠芯片配置。MEMS谐振器安装在驱动和校准谐振器的振荡器IC上。使用塑料注塑成型,这些模具一起封装在MSL-1级封装中。MEMS振荡器采用双扁平无引脚(DFN)封装,尺寸小至2.0 x 1.6 mm。与石英封装相比,MEMS DFN封装具有较低的外形,但它们适合常见的石英振荡器PCB焊盘布局,并且与石英器件引脚兼容,便于更换,而无需任何PCB设计更改。

为了实现最低的成本和更高的板级可靠性,SiTime提供采用SOT23-5封装的时钟发生器。这种封装类型提供更高的焊点可靠性,并允许低成本光学(无X射线)焊点检测。

下表列出了SiTime提供的汽车AEC-Q100 MEMS系列

采用SOT23-5封装的AEC-Q100单输出时钟发生器(板级可靠性更高,成本更低)

产品系列

频率范围

温度

封装

精度

电压

SIT2024

1 to 110

-55 to +125 Grade 1: -40 to +125 Grade 2: -40 to +105

2.9 x 2.8 (SOT23-5)

±25, ±30, ±50

1.8, 2.5 to 3.3

SIT2025


115.20 to 137

采用DFN封装的AEC-Q100振荡器(可替代石英元件,最小尺寸)

产品系列

频率范围

温度

封装

精度

电压

SIT8924


1 to 110

-55 to +125 Grade 1: -40 to +125 Grade 2: -40 to +105

2.0 x 1.6, 2.5 x 2.0, 3.2 x 2.5, 5.0 x 3.2, 7.0 x 5.0 (DFN)

±25, ±30, ±50

1.8, 2.5 to 3.3

SIT8925

115.20 to 137

MEMS硅晶振更强大

车辆受到高水平的机械冲击和振动力,可能会降低石英振荡器的性能并导致其失效。 在这些恶劣环境中工作时,振荡器必须符合其规格。如果振荡器不可靠,它有可能导致灾难性故障。相比之下,MEMS谐振器的振动较小,因为它们的质量比石英谐振器低1000至3000倍。 这减少了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。

为了模拟真实世界中设备的性能,SiTime使用标准化测试方法在各种条件下测试了各种具有相似规格的振荡器,包括正弦振动,随机振动和冲击影响。

如图3和图4所示,SiTime的基于MEMS的振荡器具有优异的抗冲击和振动性能。

结论

车载电子系统的不断增加的使用增加了对可靠的汽车级参考时钟元件的需求 这些工艺和标准与SiTime专有的MEMS和模拟IC设计相结合,以合理的成本生产出超高质量的产品。

最重要的是,SiTime的MEMS振荡器和时钟发生器能够承受恶劣环境中出现的大量振动和冲击,同时继续可靠地执行并符合规范。这种可靠性以及SiTime产品的功能和灵活性使其成为未来功能丰富车辆的理想选

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●  AEC-Q100汽车级晶振介绍

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SiTime的AEC-Q100汽车级晶振具有最高的性能,可靠性和稳健性,是替代ASIL(汽车安全完整性等级)汽车系统中传统石英振荡器的理想选择。SiTime基于MEMS的解决方案旨在确保在诸如快速温度变化,气流,冲击,振动和嘈杂电源等环境压力下实现最佳频率稳定性,抖动和电源噪声抑制。

SiTime的AEC-Q100汽车级晶振优点

• 在恶劣和嘈杂的环境中保持性能
• 无需重新鉴定组件就可以降低EMI
• 以最小的包装最小化尺寸
• 用可编程频率优化设计

SiTime的AEC-Q100汽车级晶振技术特性

• 符合AEC-Q100 1至4级标准
• 从-55°C至125°C时±20 ppm的频率稳定度
• 1至725 MHz之间的任何频率
• LVCMOS,LVPECL,LVDS和HCLS输出类型
• 两个嵌入式EMI减少选项
• 可配置的上升/下降时间和驱动强度
• 可编程扩频
• 业内最佳的G-灵敏度为0.1 ppb / g
• 最佳抗冲击力为10,000克
• 最佳的抗振性70克
• MTBF超过10亿小时(<1 FIT)
• 功耗低,典型值为3.8 mA。 在1.8V
• RoHS和REACH标准,无铅,无卤素和无锑

SiTime的AEC-Q100汽车级晶振典型应用

• 环视摄像机
• 车载以太网
• 激光雷达/雷达
• 信息娱乐系统
• 电子控制单元(ECU)
• 多媒体
• 枢纽前向碰撞警告
• 紧急制动系统

Device TypeDevice

Frequency

(MHz)

Temp. Range

(°C)

Stability

(ppm)

Output Type

EMI Reduction

Feature

Package/

Size (mm)

QFN

Oscillators

SiT89241 to 110
-40 to +85,
-40 to +105,
-40 to +125,
-55 to +125
±20±25,
±30,±50



SiT8925115.2 to 137LVCMOS
8 output
drive strength
options
QFN: 2.0 x 1.6,

2.5 x 2.0, 3.2 x 2.5,5.0 x3.2

7.0 x5.0

SOT23

Oscillators

SiT20241 to 110
SiT2025115.2 to 137SOT23-5: 2.9 x 2.8

Differential

Oscillators

SiT91211 to 220

-20 to +70,

-40 to +85,

±10,±20

±25,±30

LVPECL/LVDSField programmable
QFN:
3.2 x 2.5,5.0 x3.2
7.0 x 5.0
SiT9122220 to 625


Spread

Spectrum

Oscillators

SiT90051 to 141
±20±25,
±50
LVCMOS

Field Programmable

QFN: 2.0 x 1.6,

2.5 x 2.0, 3.2 x 2.5

7.0 x 5.0

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●  SiTime汽车级晶振应用介绍

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当我最近联系SiTime询问关于他们的MEMS振荡器在汽车上的应用,我想:有多少个插座可以在一辆车? 嗯,看看下面的内容:

汽车级晶振的运用1

当我对产品感到兴奋,特别是在热门行业应用中,该产品可以极大地改善电路设计人员开发强大的电路设计的任务,同时加速产品上市时间,然后将激情带给观众。 SiTime的AEC-Q100合格MEMS振荡器是这样的产品。

根据SiTime的规定,每台车有20-70个振荡器机会,每台车收入为3到10美元,而在这些极端温度和振动恶劣环境中的MEMS振荡器的优势如下:

最佳稳定性±20 ppm,延长温度从-55oC到125o耐冲击,振动和噪音 - 比石英振荡器好50倍

一流的质量和可靠性超过500MU发货

1.6 DPPM - 比石英振荡器质量好30倍

1,140 MTBF - 比石英振荡器更好的可靠性30倍

最佳可制造性

SOT23最佳焊点可靠性和易于视觉检测

EMI控制,无需PCB更改,可配置上升/下降时间控制(参见SiTime应用笔记:SiTime振荡器上升和下降时间选择)

SiTime拥有强大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925振荡器,我估计是汽车应用的最佳解决方案,因为它们符合高级驾驶辅助系统(ADAS)的ASIL(汽车安全完整性) 车辆以太网,动力总成和电子控制单元(ECU)。

汽车级晶振的运用2

汽车级晶振的运用3

汽车级晶振的运用4

今天的汽车越来越依赖复杂的电子控制系统,使司机和乘客更加舒适,同时提高了车辆的安全性。 重要的是,这些系统采取措施减少辐射电磁噪声,这可能会对机载或国内无线电接收造成干扰,并且必须降低车辆在道路上遇到可能危害车辆安全的电磁场的敏感性。

HVAC线圈气流传感器参考设计用于预测性维护

下图所示参考设计说明了HVAC系统的温度和空气流量效率监测。该设计与固态继电器和压电振动传感器结合使用,以通过空气处理器监测和相应地降低气流和低温条件.

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