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Bild 2: Blockdiagramm des differenziellen Oszillators.
Bild 3: Aufbau des differenziellen Oszillators.

Vorteile von MEMS Oszillatoren

MEMS basierte Oszillatoren eröffnen eine neue Ära von Taktgebern, die ähnlicher zu ICs als im Vergleich Quarze sind. Sie bieten eine hohe Leistung, höhere Zuverlässigkeit und bemerkenswerte Flexibilität. Die Kombination von kurzer Lieferzeit und angemessenen Kosten machen die MEMS Oszillatoren zur besten Wahl für die meisten Anwendungen.

Fast alle elektronischen Geräte benötigen einen Referenztakt. Für mehr als ein halbes Jahrhundert haben Quarzoszillatoren diese Funktion geliefert. Seit ein paar Jahren gibt es kleinere, schnellere und kostengünstigere Silizium basierte Taktgeneratoren, insbesondere „Micro Electro Mechanical Systems“ (MEMS) als Alternative. Quarzoszillatoren benötigen in ihrer Herstellung komplexe mechanische Prozesse welche die Größenreduzierung und schnelle Produktionsmengenänderungen einschränken. Außerdem sind sie relativ teuer. Auf der anderen Seite werden für die Herstellung des MEMS basierten Oszillatoren Standard Halbleiterprozesse eingesetzt, welche wesentliche Vorteile haben bezüglich Qualität, Größenreduktion und Lieferzeiten bei großen Stückzahlen verglichen mit Quarz basierten Produkten. Dieser Artikel beschreibt MEMS Oszillatoren, insbesondere Oszillatoren mit differentiellen Ausgängen und erläutert die Vorteile für verschiedene Anwendungen.

Bild 1: Silizium MEMS Oszillator.

Bild 1: Silizium MEMS Oszillator.SiTime

Warum sind MEMS populär?

Die MEMS Idee geht zurück bis in die frühen 60iger Jahre. In den 70iger wurden erste Silizium Beschleunigungssensoren und Drucksensoren vorgestellt. MEMS Resonatoren werden seit bereits 1967 hergestellt.

Die auf MEMS basierenden Oszillatoren bestehen aus einem MEMS Resonator Chip, und einem Halbleiter IC,  die mit Bondrähten elektrisch verbunden sind und in einem einfachen Plastikgehäuse verpackt werden können (Bild 1).

Der MEMS Resonator ist eine mechanische Struktur, die im Silizium Wafer hergestellt wird. Die Seitenwände der MEMS Resonatorstruktur bilden eine Kapazität gegenüber den äußeren feststehenden Elektroden. Die Resonatorstruktur wird durch ein elektrisches Feld zum Schwingen angeregt. Dabei misst die elektronische Oszillatorschaltung im CMOS IC die Kapazitätsänderung und versetzt den MEMS Resonator zum Schwingen. Der MEMS Resonator kann aus einkristallinem Silizium hergestellt werden. Die Schwingfrequenz des Silizium Oszillators ändert sich über der Temperatur mit etwa  -30 ppm/°C. Da dieser Temperaturgang der Frequenz konstant ist, kann man diesen Effekt sehr kostengünstig systematisch kompensieren und erreicht dadurch eine exzellente Stabilität der Ausgangsfrequenz. Das Blockdiagramm eines differentiellen Oszillators ist in Bild 2 dargestellt. Der MEMS Oszillator enthält einen digitalen Temperatursensor der eine Fractional-N PLL ansteuert und kompensiert damit den Temperaturfrequenzgang. Der Temperaturkompensationsalgorithmus ist ein Polynomfunktion deren Koeffizienten in einem Permanentspeicher (NVM) gespeichert werden.

Die neuen differenziellen Oszillatoren der SiT9121 Produktfamilie von SiTime arbeiten auf jeder Frequenz zwischen 1 MHz und 220 MHz und erreichen eine Frequenzstabilität von ±10 ppm über den industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C. Die meisten MEMS basierenden Oszillatoren, auch die von SiTime, sind programmierbar. Das bedeutet, dass durch einen einfachen Programmierschritt vor der Auslieferung jede Frequenz gemäß des Datenblattes und auch weitere Optionen wie Kontrollpinfunktionalität, Ausgangstreiberstärke, Versorgungsspannung und vieles mehr programmiert werden können. Diese Architektur ermöglicht eine große Flexibilität wodurch eine große Variation von Kundenanforderungen schnell bedient werden können. In der Massenherstellung wird die Programmierung beim Hersteller vorgenommen.

Typen von MEMS Oszillatoren

Tabelle 1: Verschiedene Arten von derzeit erhältlichen MEMS basierten Oszillatoren.

Tabelle 1: Verschiedene Arten von derzeit erhältlichen MEMS basierten Oszillatoren.

Für die Entwicklung von MEMS basierten Oszillatoren benötigt man ein hohes Maß an analogem Schaltungsdesign Know-how, was zu Produkten mit vielen verschiedenen Eigenschaften und Optionen führen kann. SiTime zum Beispiel hat erst kürzlich eine neue Oszillatorproduktfamilie SiT3907 vorgestellt, welche in die Kategorie von digitalen kontrollierten Oszillatorprodukten (DCXO) gehört. Die Firma hat auch eine weitere zukünftige differentielle DCXOs Produktfamilie SiT3921/2 angekündigt.  Systementwickler können da die Oszillatorfrequenz innerhalb des spezifizierten Ziehbereichs mittels einer seriellen digitalen Schnittstelle einstellen. Dies alles ist in einem sehr kleinen Plastikgehäuse möglich. In der Tabelle 1 sind einige erhältlichen MEMS Oszillator Typen aufgelistet und zugehörige Anwendungen gezeigt.

Vorteile von differentiellen MEMS Oszillatoren.

Normalerweise sind differentielle Oszillatoren sehr hochwertige Oszillatoren mit den folgendenden Vorteilen gegenüber Oszillatoren mit einfachen Gleichtakt Ausgängen:

  • Reduziertes Gleichtaktrauschen
  • Höhere Robustheit gegenüber Versorgungsspannungsrauschen
  • Schnelle Anstiegs- und Abstiegszeiten benötigt für hohe Frequenzen

10Gigabit Ethernet ist eine typische Anwendung die einen differentiellens Taktsignal verwendet. Die typische Taktfrequenz für 10GbE ist 156,25 MHz. SiTime offeriert 156,25 MHz differentielle Oszillatoren mit bestem Jitter Verhalten im einstelligen ps-Bereich mit einer Frequenzstabilität von ±10 ppm über den industriellen Temperaturbereich von -40°C to +85°C, Quarzoszillatoren mit dieser Stabilität sind sehr schwer zu bekommen. Quarzoszillatoren bieten entweder eine gute Stabilität oder haben eine hohe Frequenz. Der mechanische Oszillationsmodus einen Quarzes für Frequenzen über 70 MHz ist nicht mehr sehr stabil.

Wegen des Frequenzlimits von Quarzen werden Akustische Oberflächenwellen (SAW) Oszillatoren für Frequenzen von 300 MHz bis 1 GHz verwendet, welche aber die ±10 ppm Spezifikation nicht erfüllen.

Mit der Kombination von guter Frequenzstabilität und niedrigem Jitter erfüllen MEMS Oszillatoren die Spezifikationen von den meisten Anwendungen, Hochfrequenz eingeschlossen. Erst kürzlich hat SiTime neue einpolige and differentielle Oszillatorfamilien vorgestellt die einen niedrigen integrierten Phasen Jitter von nur typischen 0,5 ps ausweisen, integriert von 12 kHz bis 20 MHz von der Trägerfrequenz.

Ein weiterer Vorteil ist das kleine Plastikgehäuse. Im Gegensatz zu Quarz oder SAW Oszillatoren sind die MEMS Oszillatoren wie jeder normale IC verpackt. Die differentiellen MEMS Oszillatoren im kleinen Plastikgehäuse mit 7,0 mm x 5,0 mm und 5,0 mm x 3,2 mm sind Pin zu Pin austauschbar. Alle Produkte von SiTime verwenden die gleiche Gehäusekonstruktion.

Da die MEMS basierten Oszillatoren programmierbar sind, ist möglich nur ein unprogrammiertes Bauteil im Lager zu halten, welches durch ein Programmierschritt vor der Auslieferung für den Kunden konfiguriert wird und was sehr kurzen Lieferzeiten ermöglicht.

Programmierbarkeit ist in diesem Falle für MEMS Oszillatoren ein Synonym für Flexibilität. Einige Anwendungen wie SATA oder PCI Express benötigen spektrumspreizmodulierte Takte um die EMI Abstrahlung zu verringern. Ein solcher Takt kann mit einem einzigen Chip wie SiT9002 erzeugt werden. Zusätzlich hat der Kunde eine große Auswahl von Einstellungen wie zum Beispiel Modulations-Tiefe oder -Art (Down-Spread oder Center-Spread).

Die Oszillatoren sind mit analoger (VCXO) oder digitaler (DCXO) Frequenzeinstellung mit den größten bekannten Ziehbereichen erhältlich. VCXOs werden in Anwendungen eingesetzt, in denen eine Feedbackschleife die Frequenz so einstellt, dass die Eingangstaktraten aufeinander abgestimmt sind. In digitalen Schaltkreisen ist es viel einfacher, wenn Oszillatoren mit digitalem seriellen Frequenzsteuereingang verwendet werden können, da die Notwendigkeit einer DA-Wandlung des Steuersignals entfällt. Eine solche DA-Wandlung benötigt einen einen eigenen IC und erzeugt zusätzliches Rauschen.

Der differentielle FSXO („Frequency Select“ XO) oder FS-VCXO ermöglicht dem Anwender eine einfache Frequenzanpassung oder Umstellung auf verschiedene Datenraten oder um Datenraten mit einer Datenquelle zu synchronisieren. Eine weiterer Vorteil von FSXO ist , dass man mit kleinen pull up / pull down Widerstandsnetzwerken verschiedene gespeicherte Frequenzen im Bauteil auswählen kann.

Schon immer haben MEMS Oszillatoren beste Schock- und Vibrationsfestigkeit im Vergleich zu Quarz bewiesen. Aktuelle Vibrationserprobungen zeigen, dass nicht nur der Taktausgang ungestört bleibt, sondern das auch das Phasenrauschen um 15 bis 20dB weniger beeinflusst wird im Vergleich zu den besten im Markt erhältlichen Quarzoszillatoren.

Ein zusätzlicher Vorteil von der MEMS Architektur ist die Vielfältigkeit von Optionen innerhalb weniger Produktfamilien. Quarz im Gegensatz verlangt von dem Benutzer eine Suche durch duzende Produktfamilien, um die gewünschte Kombination von Versorgungsspannung, Frequenz, Gehäusegröße und Frequenzstabilität zu finden.