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SITIME MEMS时钟技术突破石英计时的的限制因素, 改善智能型手机和移动设备

 2014-05-28

走向更小的尺寸和增加功能的趋势持续主导着移动电子产品市场。由于OEM和ODM发展小功能丰富的设备,他们必须在紧迫的功率预算设计产品。此外,移动产品的开发中具有成本竞争环境中的上市时间是至关重要的。

改进形式和功能都依赖于组件,可以提供更小的尺寸提供更多的功能和更高的性能,在合适的价格点。没有迹象显示这种趋势将放缓,但传统的基于石英计时组件已经达到了小型化,性能的提高和成本降低的界限。随着消费电子产品变得更加丰富的功能,他们需要新的计时解决方案。


全硅MEMS时序
移动设备制造商不再需要依赖于僵化的石英装置提供计时或参考时钟在他们的产品。最新的时序创新是基于微电机械系统(MEMS)技术,它带来了显著优点移动消费电子产品。这些硅MEMS时序解决方案提供了较传统的32 kHz的石英晶体(XTALs)的移动应用几个好处。
‧更小的尺寸 - 高达85%,体积减少
‧延长电池寿命低功耗 - 高达50%的电源
‧改进的抗冲击,抗振动,寿命长 – 相较于传统高达30倍
‧卓越的稳定性 - 2倍以上的工业温度稳定性好
‧减少组件数量 - 单芯片相比,石英XTALs需要3个组成部分

MEMS振荡器提高移动通信系统一个典型的智能手机或平板电脑的设计,根据不同的应用处理器,分区和支持等功能,可以包含多个计时装置,包括一个或多个32kHz的XTALs。





在智能移动系统中,32千赫XTALs可以与SiT15xx32千赫MEMS振荡器来代替(见表2),以减少尺寸和功耗。MEMS振荡器,如低功耗SIT1602或SIT8008(见表3)可以提供MHz的参考时钟,以提高性能。这些MEMS振荡器具有低功耗进一步节电的功能,并且它们是非常强大的并且符合无铅RoHS和REACH标准。




降低尺寸与32 kHzMEMS振荡器
一个典型的MEMS振荡器是一个allsilicon装置,包括微机电系统 谐振器裸片堆栈在一个高性能的仿真振荡器集成电路的顶部。MEMS振荡器被塑造成标准的低成本的SMD塑料封装与脚印小到2.0 ×1.2毫米,使它们非常适合应用需要XTAL足迹兼容性。为了支持,即使是需求更小的移动设备中, SiT15xx MEMS振荡器也可用于 1.5 ×0.8× 0.55H毫米的CSP (芯片级封装) 。石英供货商不能提供芯片级封装。该SiT15xx 32 kHz的家庭是理想的取代传统的石英晶体在移动应用的空间是至关重要的。该SiT15xx CSP解决方案幅度高达85 %,比普通2.0 ×1.2 mm安装XTAL包减少足迹。不像XTALs ,该SiT15xx家庭都有一个唯一的输出,直接驱动到芯片组的XTALIN引脚。所需要与传统的石英外部组件XTALs不再需要(参见图4和5 ) 。除了消除外部输出负载电容, SiT15xx设备有特殊的电源滤波,因此,省去了外部Vdd的bypassdecoupling电容。此功能进一步简化了设计并保持足迹尽可能小。内部电源滤波的目的是抑制噪声高达± 50 mVpp的到5兆赫。
该(0.55毫米高)的MEMS振荡器输出使设计者在组件放置额外的灵活性。由于振荡器可以通过走线驱动时钟信号,它并不需要被放在相邻的芯片组,从而使电路板设计,以进一步优化电路板布局和空间




降低功耗,具有32 kHzMEMS振荡器
该SiT15xx 32 kHz的家庭有一个超低功率输出,消耗的电流只有纳米安培,并具有独特的省电功能,延长电池寿命。
‧最低功耗32 kHz振荡器在750nA核心供电电流(典型值)
‧工作电压可低至1.2V ,支持钮扣电池或超级电容电池备份
‧可编程频率下降到1赫兹,以节省电力
‧Nano Drive驱动™输出摆幅减小到少消耗40 %的功率

SiT15xx设备的频率是可编程的,从1 Hz至32.768 kHz的两种力量。降低频率显著降低了输出的负载电流(C * V * F) 。例如,减少了频率从32.768千赫至10千赫改善负载电流的70%。同样,降低输出频率从32.768千赫向下到1Hz减少超过99 %的负载电流。 (参见第4-5页的例子。 )石英XTALs ,由于谐振器在低频率的物理尺寸的限制,不能提供频率低于32.768千赫低。

低频选项中,SiT15xx系列使用是理想的装置针对新电池供电架构,其中低频参考时钟始终运行。目标应用包括每秒脉冲(PPS)计时和电源管理监控和计时。



该SiT15xx器件还具有纳米驱动器,如图6所示一个独特的可编程输出摆幅。这种可编程输出级优化的低电压摆幅,以降低功耗,并保持与下游振荡器的输入兼容。输出摆幅是可编程的,从如火如荼下降到200 mV,相匹配的芯片组和显著降低功耗。

使用32 kHz的MEMS振荡器的可编程功能,可降低电流消耗下面的例子说明如何降低输出摆幅和频率的影响电流消耗。尽可能低的电流消耗是通过使用可编程奈米驱动,以减少输出摆幅,并通过降低输出频率为1赫兹实现。这种组合可以基本消除了电流消耗从输出级和负载电流。无负载电源电流在计算空载功率为SiT15xx设备,核心和输出驱动器组件需要被添加。由于输出电压摆幅可以被编程为在250 mV和800 mV的低摆幅,输出驱动电流是可变的。因此,空载工作电流分成两部分,核心和输出驱动器。下面的实施例说明了纳米驱动低摆幅输出的低功率益处。例如,空载电流是由超过20%时相比,LVCMOS(2.1V)摆动改善。



总电源电流与负载要计算总电源电流,包括负载,请按照下面列出的方程。额外的负载电流来自负载电容,输出电压和频率(C* V * F)的组合。由于SiT15xx包括奈米驱动低摆幅输出和可选的输出频率降低到1赫兹,这两个变量会显著提高负载电流。纳米驱动器的好处真正成为当负载电流被认为是显著。功率是由大于40%的降低,纳米驱动器作为实施例4所示。降低输出时钟频率降低负载电流的显著如例5所示。

Total Current = Idd Core + Idd Output Driver + Load Current Where,
‧Idd Core = 750nA
‧Idd Output Stage = (165nA/V)(Voutpp)
‧Idd Load = CLoad * Vout * Frequency
‧Assume load capacitance is 10pF



提高准确度与32 kHzMEMS振荡器
老化和变异的频率稳定性,有助于时钟误差误差源。频率稳定度是随电压和温度时钟的稳定性。该SiT15xx家庭是工厂校准(修剪),以保证频率稳定度小于20 PPM在室温和低于100ppm ,在整个-40°C至+85°C温度范围。不同于拥有经典的音叉拋物线温度为25 °C周转点曲线石英晶体, SiT15xx器件的温度系数在整个温度极为平坦。这个家庭保持在整个工作温度范围内小于100 ppm的频率稳定性,当工作电压为3.0V和4.3V之间,和150 ppm的频率稳定性,制造低压工作电压可低至2.7V 。老化定义随着时间的推移时钟的频率稳定度,通常以1年间隔。该SiT15xx设备的老化是± 3 ppm在25°C时相比, ± 5 PPM石英XTALs 。

移动产品可经受恶劣的环境。 MEMS振荡器进行了各种条件,例如机械冲击和振动,电磁干扰和极端温度下石英器件。 50,000 g冲击70 g振动和2FIT可靠度,固有的耐用性和质量小的硅MEMS谐振器使其更强大相对于石英。有关MEMS振荡器的弹性和可靠性的详细信息,请参阅应用注释在www.sitime.com/support/applicationnotes

除了机械稳定性和可靠度FIT,MEMS振荡器具有可靠的启动温度过高。MEMS振荡器结合了正确的匹配谐振器和电路维持在同一封装内,从而消除了启动常见的有石英XTALs问题。

总结
移动产品设计师和制造商需要新的解决方案,使快速创新。在MEMS计时技术的进步已经很快表现出色并超越石英计时。基于MEMS振荡器现在提供的尺寸,性能和领先的移动设备所需的功能。
· 小型和超小型计时解决方案使更薄的设计
· 更长的电池寿命,低功耗振荡器和独特的省电功能
· 更高的可靠性和耐冲击和振动
· 更高的性能,更好的稳定性和准确性



MEMS振荡器在设计中有一个可编程的平台使得它们非常灵活。除了尺寸和性能优势,微机电系统定时提供显著的供应链优势。由于无晶圆厂半导体生态系统的一部分,SiTime公司充分利用了大量的半导体制造,封装和测试基础设施,以提供更具成本效益的解决方案,很短的时间。随着移动设备变得越来越复杂和时序要求的提高,SiTime的超小型MEMS的解决方案是智能手机和移动设备应用的理想解决方案。

若需任何产品详情, 请洽凯悌SiTime产品线企划人员, 谢谢!