Kiváló frekvenciameghatározás CMOS- és MEMS-technológiák integrálásával

A 20. század közepe óta a kvarckristály-rezonátorok és a kvarcalapú oszcillátorok uralják a frekvenciameghatározás^[1] piacát. Gyakorlatilag minden elektronikus berendezés időzítése mind a mai napig egy megmunkált kvarckristálytól függ, amely a sokféle lehet­séges működési frekvencia közül egy „kitüntetett” frekvencián „szeret” rezegni. A kristályok és kristályoszcillátorok (XO-k) a mai piacon forgalomban lévő több milliárd elektronikus készülék nagy részében használatosak a gitárerősítőktől a karórákig, az okostelefonoktól a hajórádiókig.

Az elektronikai piacon minden évben több milliárd kristályt használnak fel. A rendkívüli méretgazdaságosságból előnyt kovácsolva új magasságokba emelkedett a kvarckristályok és a kvarcalapú oszcillátorok kifinomult előállítása, aminek következtében kisebb vagy vékonyabb kristálylemezke szükséges ugyanannak a frekvenciának az előállításához, illetve a korábban elérhetetlen, magasabb frekvenciájú megoldások is lehetségessé váltak. A közelmúltig csupán néhány használható alternatíva létezett, mert a kvarcalapú, piezoelektromos rezonátorok stabilak, tulajdonságaik jól ismertek, ami megkönnyítette a megbízhatóan teljesítő kristályoszcillátorok (XO) tervezését és létrehozását, de egyben jelentősen korlátozta is az alkalmazható megoldások választékát is.
Ugyanakkor az elmúlt néhány évben az XO felépítését utánzó, két komponenst (rezonátort és erősítőt) tartalmazó MEMS- (mikro-elektromechanikus rendszer) -alapú oszcillátorok törtek be a frekvenciameghatározók piacára. Ezeket az eszközöket – mindenféle méretű és tokozatú kialakításban – a kiváló megbízhatóság és a költséghatékonyság jellemzi, amelynek oka elsősorban a kis helyfoglalás. Ezt azért kell kiemelni, mert az XO-kra önmagukban az aránylag magas ár jellemző. Az egycsipes MEMS-megoldások (melyek közvetlenül a CMOS-erősítő alapjának tetejére rétegezik a MEMS-rezonátort) bevezetése most további javulást eredményez a MEMS-oszcillátorok megbízhatóságában, programozhatóságában, hőmér­séklet-stablitásában és a költségszintekben.

Kristályoszcillátorok

A kristályoszcillátorokat a néhány kilohertztől a pár száz megahertzig terjedő, széles frekvenciatartományban való működésre tervezik. A kristályoszcillátorokban a kvarcrezonátor mellett egy erősítő áramkör is található, mely egy fémfedővel hermetikusan lezárt kerámiatokban helyezkedik el. A kerámiatok és a fémfedő a nagyon törékeny kristály körül erős védőburkolatot képez, és megakadályozza az összeszerelt komponensek sérülését. Általában véve az erősítő áramkör kihasználja a kristály piezoelektromos tulajdonságait, mert pozitív visszacsatolást használ a rezonancia létrehozására az adott frekvencián, amelyet a kristályrezonátor mérete, a kristálytani alapirányokhoz viszonyított metszési iránya és burkolata határoz meg. Az elektronikai ipar által igényelt nagy frekvenciatartomány támogatása miatt a frekvenciameghatározókat gyártó vállalatoknak több száz vagy akár több ezer különféle egyedi kristályrezonátort kell tervezniük, készleten tartaniuk és gyártaniuk.
A kristályalapú megoldások gyártása még a hagyományos, egyedi kristályrezonátorokhoz képest is további kihívásokat rejt magában. A teljes kristálypiaci kínálat óriási hányadát hordozható készülékekbe építik. A vékonyabb és kisebb hordozható eszközök egyre kisebb méretű alkatrészek gyártását követelik meg mindenkitől. Ez az igény különös problémákat jelent a kristályalapú oszcillátorok gyártóinak, mivel a kvarcrezonátor méretének zsugorítása minden kívánt frekvencián bonyolultabbá teszi a gyártást, és csökkenti a megbízhatóságot a kisebb, törékenyebb kristályok miatt. Emellett a kristályalapú megoldások egyik fő problémáját minden piacon az jelenti, hogy eredendően érzékenyek a környezeti tényezőkre, mint például az ütődésre, rezgésre, hőhatásra és a tételenként változó gyártási eltérésekre, amelyek akár indítási nehézségeket is okozhatnak a végtermékek üzembe helyezésénél, vagy meghibásodást is okozhatnak használat közben.

MEMS-rezonátorok

Az elmúlt pár évben a MEMS-alapú oszcillátorok életképes alternatívának bizonyultak a kvarcalapú megoldások helyett, aminek számos oka van. Először is a MEMS-oszcillátorok szilíciumalapú eljárásokkal készülnek, rendkívül szigorú minőség-ellenőrzésen esnek át, és emiatt nagyon megbízható teljesítményt nyújtanak sok milliárd végtermékpéldányba építve, feltéve ha a gyártó megfelelően alakította ki őket, határozta meg a jellemzőiket, és garanciát vállal értük.
Másodszor, a szilíciumalapú eljárások közvetlen következménye az, hogy a Moore-törvény hatálya alá esnek, amely szerint a gyártott termékek egyre növekvő műszaki teljesítményt nyújtanak egyre csökkenő költségek árán. Más szóval a kisebb, korszerűbb, szilíciumalapú készülékek idővel óhatatlanul kevesebbe kerülnek. A kristály­alapú megoldásokra a törvény ellentétesen hat, mivel a fentebb említett gyártási nehézségek következtében – a méret csökkenése miatt – egyre drágul a hozzájuk szükséges alapanyag. Emellett miközben a kristálygyártás egyre nehezebb és költségesebb lesz, a kristályokból származó haszon csökken az egyre törékenyebb és kisebb készülékek miatt.
A harmadik ok is a szilíciumalapú eljárásból következik. A MEMS-oszcillátorok szilíciumos megoldások, vagyis a környezeti tényezőkkel szembeni nagyobb ellenállóképességre lehet tervezni őket. Ez nem jelenti azt, hogy minden MEMS-alapú megoldás egyformán jó ebben a tekintetben. A termék kialakítása nagymértékben meghatározza azt, hogy az adott MEMS-oszcillátor milyen jól teljesít egy másikkal szemben. Ez azonban nem változtat azon a tényen, hogy a szilíciumos megoldások tervezésüknek köszönhetően a kristályoknál (különösen a kis méretűeknél) jobban ellenállnak az ütődésnek és a rezgésnek.

Első generációs MEMS-oszcillátorok

A MEMS-oszcillátorok első generációja abban hasonlít a kvarc­oszcillátor-konstrukciókra, hogy két fizikailag eltérő komponenst ötvöz: egy rezonátort és egy erősítő IC-t/alapcsipet, amely fenntartja a frek­venciameghatározó mechanikai rezgőrendszer rezgését. A MEMS használata nagy előrelépést jelentett az oszcillátorok gyártásában, mert kiküszöbölte a kvarcalapú oszcillátorokhoz szükséges bonyolult anyagfeldolgozási technikákat, és sokkal gazdaságosabb műanyag tokkal helyettesítette a kvarcoszcillátorokhoz használt költségesebb kerámiatokot és fémfedőt.
Ugyanakkor ezt az első generációs megközelítést – természetéből fakadóan – korlátok közé szorítja a kétkomponensű felépítés, amelyet a kristályalapú oszcillátoroknál is használnak. A legelső akadályt a bonyolult tok jelenti, amelybe a két komponens összehuzalozására legalább kétszer annyi vezetéket kell beépíteni, mint a hasonló monolit szerelvényekbe. Emiatt drágább lesz a tok, és a hasonló monolit csipszerelési eljárásokhoz képest több ponton fordulhat elő meghibásodás.
További akadályt jelent az is, hogy a kétkomponensű megoldás nem tudja hatékonyan kiküszöbölni a hőmérsékleti változásokat. Ezzel a problémával a kristályalapú megoldásoknak is meg kell küzdeniük. Mindez abból a tényből fakad, hogy a két komponens (a rezonátor és az erősítő/alap) olyan rendszert alkot, amelynek összehangoltan kell mozognia. Az alap kiegyenlíti a rezonátor hőmérséklet miatti frekvenciaváltozását. Mivel a két eszköz nincs integrálva, hanem külön állnak, és fémhuzalok kötik őket össze, nem mozognak egyszerre a hőmérséklet változásával. A közvetlen összhang hiánya miatt ezek a rendszerek változó hőmérsékleti körülmények között eltérően működnek. Valójában az ilyen változékony hőmérsékleti helyzetekben a kristályoszcillátorok még mindig felülmúlják a többcsipes MEMS-eszközöket.

Második generációs MEMS-oszcillátorok

A feldolgozási technológia új fejlesztéseinek köszönhetően nemrég lehetővé vált, hogy a MEMS rezonátorokat közvetlenül a CMOS alapcsip tetejére lehessen tenni. Ez több szempontból is nagy előrelépést jelent. Először is, ha egyetlen csipet gyártunk egy szokványos félvezetőgyárban, akkor az kevesebb költséggel jár, mint ha kétcsipes megoldást gyártanánk úgy, hogy több gyártótól származó komponenseket kell egybeszerelni, vagy ha kristályalapú megoldást gyártanánk. Másodszor, az egycsipes megoldásokban a rezonátor közvetlenül integrálódik a kompenzáló és erősítő csipjével, amellyel egyetlen, egyesített rendszer jön létre. Ez kiválóan ellenáll az ütődésnek, rezgésnek, az elöregedésnek és a változó hőmérsékletnek, amely a kristályokról és az első generációs MEMS-ről nem mondható el. Végül a Moore-törvénynek megfelelően az egycsipes megoldás nagyobb rugalmasságot és több funkciót valósít meg, mint az elődei, és általában alacsonyabb áron kínálható.
A MEMS és a CMOS egycsipes integrálása a CMEMS^[2]-technológia megjelenésével valósult meg. A Silicon Laboratories a csipgyártással foglalkozó piacvezető vállalatokkal karöltve fejlesztette ki ezt az egyedülálló gyártási technológiát és folyamatot. A CMEMS az első olyan gyártási eljárás a saját kategóriájában, amely lehetővé teszi a kiváló minőségű MEMS-rétegek utólagos ráhelyezését közvetlenül a korszerű CMOS-technológiájú alapcsip tetejére, és ezzel egyetlen monolit csip jön létre. A vállalat első CMEMS-termékei MEMS-alapú oszcillátorok, amelyek 10 éves garantált megbízhatóságot, ütődés és rezgés elleni védelmet, sokféle célalkalmazáshoz megfelelő, rendkívüli programozhatóságot és változó hőmérsékleti körülmények között is páratlan teljesítményt kínálnak.

A monolit csip előnyeinek felfedezése

Az első generációs, kétcsipes MEMS-oszcillátor felépítményekben huzalkötésre volt szükség a MEMS-rezonátorcsip és az oszcillátorcsip között, ami több költséget, bonyodalmat és hibalehetőséget jelentett a többcsipes modul (MCM) kialakításban. Emellett az első generációs, kétcsipes megoldásokban a MEMS-rezonátorok Európában, speciális MEMS-gyártó létesítményekben készültek, ahol a gyártási költségek általában magasabbak, mint Ázsiában. Ezeket a MEMS-rezonátor szeleteket (wafer) egyedi rezonátorokra választják szét, majd összeszerelik egy – távol-keleti gyártóktól származó – költséghatékonyabb, normál CMOS-csippel. 
A CMEMS-oszcillátorokat szabványos CMOS-technológiával készítik a világ második legnagyobb csipgyártó üzemében, a Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) gyárában. A CMEMS-rezonátort közvetlenül a CMOS tetejére szerelik egy széles körben alkalmazott és ezért gazdaságos anyag, a szilícium-germánium (SiGe) felhasználásával. Ez a feldolgozási újítás lehetővé teszi, hogy a CMEMS-megoldások egyetlen forrásból származó, alacsonyabb költségű szeleteken készüljenek, ami által kiküszöbölhető a komplex tokozás, amelynek magas árát a többcsipes felépítés és a bonyolult huzalozás okozza.

Hőmérséklet-kompenzáció

Az egycsipes CMEMS-oszcillátorok további teljesítményelőnyökkel is járnak a kétcsipes felépítésűekhez képest. Az említett okok miatt a kétcsipes felépítmények kimeneti frekvenciáját erősen befolyásolják a hőmérsékleti változások.
Egy összehasonlító kísérletben vezető gyártók kristályoszcillátorait, valamint első generációs MEMS-oszcillátorokat és a Silicon Labs gyárából származó CMEMS-oszcillátorokat tettek ki hirtelen hőmérsékleti változás hatásának, és megmérték kimeneti frekvenciájuk stabilitását. Az 1. ábrán látható diagramon az ideális eredményt az jelentené, ha az érték megmarad az Y-tengely 0 értékénél, azaz a hőmérsékleti változások nincsenek hatással a kimeneti frekvenciára.

1. ábra

Míg a kristályoszcillátorok (XO) a 20 ppm-es garantált értékükhöz képest akár kétszeres frekvenciaeltérést is mutathatnak, az első generációs MEMS-megoldások a 20 ppm-es értékükhöz képest akár nyolcszoros eltéréssel jellemezhetőek. Ezekkel az eredményekkel ellentétben a CMEMS-megoldás frekvenciája kevesebb, mint 1 ppm-mel változott a névleges frekvenciához képest.

Az Si501 CMEMS-oszcillátor áttekintése

A 2. ábrán látható a Silicon Labs egycsipes felépítésű Si50x CMEMS-oszcillátora. Az Si50x oszcillátor-termékcsalád hat számjegyű felbontásig minden frekvencián rendelhető 32 kHz és 100 MHz között. Az oszcillátor-termékcsalád négy alaptípust tartalmaz, amelyek nagymértékben konfigurálhatók a tápfeszültség, a kimeneti fel- és lefu­tási idő, a frekvenciastabilitás és a hőmérséklet-kompenzáció szempontjából. A készülékek számos XO-val és első generációs MEMS-megoldással funkcionálisan kompatibilisek, és lábkompatibilis, 4-kivezetéses tokozatban kaphatók (2 mm × 2,5 mm, 2,5 mm × 3,2 mm és 3,2 mm × 5 mm).

2. ábra

Mindegyik Si50x-oszcillátor bármelyik pillanatban egyetlen órakimeneti frekvenciát állít elő. Az oszcillátortípusok az integrált memóriában tárolt órafrekvenciák száma alapján szegmentálódnak. Az Si501- oszcillátor egyetlen tárolt frekvencián működik, a kimeneti jel pedig az OE- (Output Enable) -funkcióval engedélyezhető. Az Si502 két olyan frekvenciát tárol, amelyeket a frekvenciaválasztó (FS – Frequency Select) jellel lehet kiválasztani, az OE-funkcióval pedig be- és kikapcsolni. Az Si503 négy frekvenciát tárol, amelyeket az FS-funkcióval lehet kiválasztani, viszont nem támogatja az OE-funkciót. Az Si504 egy programozható oszcillátor, amelyet egyvezetékes interfész (C1D) vezérel. Az Si50x-oszcillátorokkal kapcsolatos további információkat – a termékek adatlapjait is beleértve – a www.silabs.com/CMEMS weboldalon találja az olvasó.

A még nagyobb rugalmasságot szem előtt tartva az Si50x CMEMS-eszközöket olcsó programozókártyával is meg lehet rendelni, amellyel az azonnal konfigurálható a támogatott beállítások bármelyikére. Ez lehetővé teszi azt, hogy a fejlesztő rendszerében rendkívül gyorsan megtörténhessen a prototípusgyártás vagy a CMEMS-alkatrészek tesztelése.

Összegzés

A Silicon Labs Si50x CMEMS-oszcillátor megoldásai kitűnő alternatívát nyújtanak az XO-k és az első generációs MEMS-oszcillátorok helyettesítésére. A CMEMS-oszcillátorok kiváló hosszúidejű stabilitást mutatnak, 10 évig garantáltan működőképesek, és rendelkeznek a teljes egészében szilíciumos megoldás minden előnyével, az ütődésnek és rezgésnek való nagyfokú ellenálló-képességet is beleértve. A teljes egészében szilíciumból gyártott alkatrészekhez hasonlóan a CMEMS-oszcillátorok kedvező áron kaphatók, ami az egyébként is figyelemreméltó funkciók mellett kevesebb költséget jelent.

Szerző: Simon Duggleby – kategóriamarketing-menedzser – RS Components

RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371
Fax: +36 1 408 8372
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.rscomponents.hu

Még több RS Components

Címkék: kvarc | MEMS | oszcillátor

^[1] Az angol eredetiben a szerző a „frequency control” kifejezést használja. Ezt „csábító” ötlet „frekvenciaszabályozásnak” fordítani, azonban a kvarckristály-alapú rezgőrendszerekben – a szó precíz értelmében – „szabályozásról” (negatív visszacsatolásról, azaz egy paraméternek egy előírt értékkel történő „valós idejű” összehasonlításáról és a különbségi jellel az eltérés csökkentésére irányuló beavatkozásról) nincs szó, ezért a cikkben a „frekvenciameghatározás” kifejezést használjuk. – A szerk. megj.

^[2] A CMOS- és a MEMS-technológiák összevonására utaló mozaikszó.