ECK-DATEN

Systemdesigner müssen nicht länger mit den Einschränkungen von Quarzen arbeiten und können die Risiken beim Entwurf mit Quarzen umgehen. Die MEMS-Oszillatoren von Sitime überwinden deren Einschränkungen und bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Quarz-Resonatoren/Oszillatoren. Plug-and-Play-Oszillatoren vereinfachen das Systemdesign.

Oberflächlich betrachtet könnte das Design von Oszillatoren mit Quarzkristallen einfach erscheinen, besonders wenn man deren ausgereifte Technologie bedenkt. Aber es gibt eine Vielzahl von Entwurfsparametern, die es zu berücksichtigen gilt, wenn ein Quarz an eine Oszillatorschaltung angepasst wird. Dazu zählen die Schwingungsimpedanz (ESR Equivalent Series Resistance), der Resonanzmodus, die Ansteuerleistung und der negative Oszillatorwiderstand, der ein Maß für die Oszillatorverstärkung ist. Zusätzlich müssen die Lastkapazität für Parallelresonanz berücksichtigt und ein Auge auf die parasitären Kapazitäten durch Leiterkarte, Anschlussleitungen sowie des angesteuerten ICs geworfen werden. All diese Faktoren haben Einfluss auf die Oszillatorschaltung, deren Einschwingverhalten und exakte Mittenfrequenz. Da eine Oszillatorschaltung eine enge Anpassung des Resonators an die Oszillatorschaltung erfordert, können die Quarzhersteller den sicheren Start (Anlauf) des Quarzes nicht garantieren. Im Gegensatz dazu bieten Oszillatoren eine vollständig integrierte Lösung. Der Oszillatorhersteller passt den Quarzresonator an die Oszillatorschaltung an und erspart somit dem Entwickler diese Tüftelei. Da die Abgleichfehler eliminiert werden, wird der Start des Oszillators durch den Hersteller Sitime (Eigenschreibweise SiTime) garantiert. Kurzum, Oszillatoren sind eine Plug-and-Play-Lösung, die das Systemdesign stark vereinfacht.

MEMS-Oszillatoren

Bild 1: Sitime-Oszillatoren umfassen einen MEMS-Resonator und einen Oszillator-IC, die Kombination ergibt ein aktives Bauelement. Sitime/Endrich

Die Oszillatorschaltung muss eine ausreichende Verstärkung und Phasenverschiebung aufweisen, um das Barkhausen-Kriterium für die Oszillation zu erfüllen. Von besonderer Wichtigkeit sind die Schwingimpedanz (ESR) des Kristalls und der negative Widerstand (äquivalent zur Verstärkung) des Oszillators. Wenn der Oszillator eine ungenügende Verstärkung aufweist, um die Schwingimpedanz des Quarzresonators zu überwinden, kann die Schaltung nicht anlaufen. Diese Probleme werden durch die Verwendung von Oszillatoren beseitigt. Quarzkristalle werden meist im parallelen Resonanzmodus betrieben und benötigen daher spezifische Lastkapazität. Kommt es hier zu großen Toleranzen oder wird eine falsche Kapazität verwendet, kann der Frequenzfehler leicht die Spezifikationen des Datenblatts überschreiten. Zudem müssen die Kapazitäten des IC-Eingangs, parasitäre Kapazität der Anschluss-Leiterbahnen des PCBs oder Bonddrähten berücksichtigt werden, um die benötigte Frequenzgenauigkeit sicherzustellen.

Im Gegensatz dazu integrieren MEMS-Oszillatoren den Resonator und den Oszillator/PLL-IC in einem Gehäuse, wodurch die Notwendigkeit eines externen Kondensators zum Abstimmen der Resonanzfrequenz entfällt. Schließlich muss darauf geachtet werden, dass die Oszillatorschaltung den Quarzresonator nicht übersteuert. Ein Übersteuern des Resonators kann zu einer beschleunigten Alterung des Quarzresonators führen oder bei extremen Pegeln den Quarzkristall sogar beschädigen. Im Gegensatz dazu unterliegen MEMS-Resonatoren keiner Alterung.

MEMS-Oszillatoren

Bild 2: MTBF-Werte von Sitime-Oszillatoren im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten. Sitime/Endrich

MEMS-Oszillatoren bieten bessere Qualität und Zuverlässigkeit

Qualität und Zuverlässigkeit sind von entscheidender Bedeutung: Nacharbeiten oder gar Rückrufaktionen sind kostspielig und zeitaufwendig, und letztlich kann sogar der Ruf eines Unternehmens auf dem Spiel stehen. Darüber hinaus müssen Systeme, die im Freien eingesetzt werden und speziellen Umweltbelastungen ausgesetzt sind, besonders robust sein. Bei Quarzresonatoren handelt es sich zwar um eine ausgereifte Technologie, doch der Herstellungsprozess ist recht komplex, damit jeder einzelne Resonator auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist. Dies geschieht üblicherweise durch Abtragen der Metallelektrode mit einem Ionenstrahl, und dieser Schritt findet statt, bevor der Quarzblank eingekapselt wird. Er bewirkt, dass der Resonator anfällig für Verunreinigungen ist und führt zusammen mit anderen Quarz-Herstellungs-Komplexitäten dazu, dass die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von Quarz nur bei 14 bis 38 Millionen Stunden liegt. Die defekten Teile pro Million (DPPM) betragen bis zu 50 für die besten Quarzhersteller und bis zu 150 für Quarzlieferanten minderer Qualität.

Im Gegensatz zu den spezialisierten Herstellungsprozessen von Quarzkristallen verwenden die Sitime MEMS-Oszillatoren Standard-Halbleiter-Prozesse beziehungsweise -Techniken. Dies beinhaltet die Herstellung von Resonatoren und Oszillator-ICs auf Wafer-Ebene sowie das Bonden an Standard-Leadframes und dem finalen Kunststoffverguss. Sitime-MEMS-Resonatorchips bestehen aus einer einzigen mechanischen Struktur aus reinem Silizium. Während der Herstellung von Sitime MEMS wird ein Epi-Seal-Verfahren verwendet, um den Resonator zu reinigen, wonach

MEMS-Oszillatoren

Bild 3: DPPM-Werte (defekten Teile pro Million) von Sitime-Oszillatoren im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten. Sitime/Endrich

Polysilizium abgeschieden wird, um die Struktur abzudichten. Diese ultra-saubere hermetische Vakuumdichtung stellt sicher, dass die Resonatorstruktur geschützt und frei von Verunreinigungen ist. So können Alterungsprozesse eliminiert werden. Infolgedessen sind die DPPM- und MTBF-Werte von Sitime-Oszillatoren etwa 30-mal besser als von Quarz (Bilder 2 und 3). Diese sehr zuverlässige Technologieplattform hält starken Umweltbelastungen stand und liefert dem Endanwender ein qualitativ hochwertiges Produkt.

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