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SITIME MEMS時鐘技術突破石英計時的限制因素,改善智慧型手機和移動設備

 2014-05-28

走向更小的尺寸和增加功能的趨勢持續主導著移動電子產品市場。由於OEM和ODM發展小功能豐富的設備,他們必須在緊迫的功率預算設計產品。此外,移動產品的開發中具有成本競爭環境中的上市時間是至關重要的。

改進形式和功能都依賴於組件,可以提供更小的尺寸提供更多的功能和更高的性能,在合適的價格點。沒有跡象顯示這種趨勢將放緩,但傳統的基於石英計時組件已經達到了小型化,性能的提高和成本降低的界限。隨著消費電子產品變得更加豐富的功能,他們需要新的計時解決方案。


全矽MEMS時序
移動設備製造商不再需要依賴於僵化的石英裝置提供計時或參考時鐘在他們的產品。最新的時序創新是基於微電機械系統(MEMS)技術,它帶來了顯著優點移動消費電子產品。這些矽MEMS時序解決方案提供了較傳統的32 kHz的石英晶體(XTALs)的移動應用幾個好處。
‧更小的尺寸 - 高達85%,體積減少
‧延長電池壽命低功耗 - 高達50%的電源
‧改進的抗衝擊,抗振動,壽命長 – 相較於傳統高達30倍
‧卓越的穩定性 - 2倍以上的工業溫度穩定性好
‧減少元件數量 - 單晶片相比,石英XTALs需要3個組成部分

MEMS振盪器提高移動通信系統一個典型的智能手機或平板電腦的設計,根據不同的應用處理器,分區和支持等功能,可以包含多個計時裝置,包括一個或多個32kHz的XTALs。




在智能移動系統中,32千赫XTALs可以與SiT15xx32千赫MEMS振盪器來代替(見表2),以減少尺寸和功耗。MEMS振盪器,如低功耗SIT1602或SIT8008(見表3)可以提供MHz的參考時鐘,以提高性能。這些MEMS振盪器具有低功耗進一步節電的功能,並且它們是非常強大的並且符合無鉛RoHS和REACH標準。





降低尺寸與32 kHz的MEMS振盪器
一個典型的MEMS振盪器是一個allsilicon裝置,包括微機電系統 諧振器裸片堆疊在一個高性能的模擬振盪器集成電路的頂部。MEMS振盪器被塑造成標準的低成本的SMD塑料封裝與腳印小到2.0 ×1.2毫米,使它們非常適合應用需要XTAL足跡兼容性。為了支持,即使是需求更小的移動設備中, SiT15xx MEMS振盪器也可用於 1.5 ×0.8× 0.55H毫米的CSP (芯片級封裝) 。石英供應商不能提供芯片級封裝。該SiT15xx 32 kHz的家庭是理想的取代傳統的石英晶體在移動應用的空間是至關重要的。該SiT15xx CSP解決方案幅度高達85 %,比普通2.0 ×1.2 mm安裝XTAL包減少足跡。不像XTALs ,該SiT15xx家庭都有一個唯一的輸出,直接驅動到芯片組的XTALIN引腳。所需要與傳統的石英外部元件XTALs不再需要(參見圖4和5 ) 。除了消除外部輸出負載電容, SiT15xx設備有特殊的電源濾波,因此,省去了外部Vdd的bypassdecoupling電容。此功能進一步簡化了設計並保持足跡盡可能小。內部電源濾波的目的是抑制噪聲高達± 50 mVpp的到5兆赫。該(0.55毫米高)的MEMS振盪器輸出使設計者在元件放置額外的靈活性。由於振盪器可以通過走線驅動時鐘信號,它並不需要被放在相鄰的芯片組,從而使電路板設計,以進一步優化電路板佈局和空間




降低功耗,具有32 kHz的MEMS振盪器
該SiT15xx 32 kHz的家庭有一個超低功率輸出,消耗的電流只有納米安培,並具有獨特的省電功能,延長電池壽命。

‧最低功耗32 kHz振盪器在750nA核心供電電流(典型值)
‧工作電壓可低至1.2V ,支持鈕扣電池或超級電容電池備份
‧可編程頻率下降到1赫茲,以節省電力
‧Nano Drive驅動™輸出擺幅減小到少消耗40 %的功率

SiT15xx設備的頻率是可編程的,從1 Hz至32.768 kHz的兩種力量。降低頻率顯著降低了輸出的負載電流(C * V * F) 。例如,減少了頻率從32.768千赫至10千赫改善負載電流的70%。同樣,降低輸出頻率從32.768千赫向下到1Hz減少超過99 %的負載電流。 (參見第4-5頁的例子。 )石英XTALs ,由於諧振器在低頻率的物理尺寸的限制,不能提供頻率低於32.768千赫低。

低頻選項中,SiT15xx系列使用是理想的裝置針對新電池供電架構,其中低頻參考時鐘始終運行。目標應用包括每秒脈衝(PPS)計時和電源管理監控和計時。




該SiT15xx器件還具有納米驅動器,如圖6所示一個獨特的可編程輸出擺幅。這種可編程輸出級優化的低電壓擺幅,以降低功耗,並保持與下游振盪器的輸入兼容。輸出擺幅是可編程的,從如火如荼下降到200 mV,相匹配的芯片組和顯著降低功耗。

使用32 kHz的MEMS振盪器的可編程功能,可降低電流消耗下面的例子說明如何降低輸出擺幅和頻率的影響電流消耗。盡可能低的電流消耗是通過使用可編程奈米驅動,以減少輸出擺幅,並通過降低輸出頻率為1赫茲實現。這種組合可以基本消除了電流消耗從輸出級和負載電流。無負載電源電流在計算空載功率為SiT15xx設備,核心和輸出驅動器組件需要被添加。由於輸出電壓擺幅可以被編程為在250 mV和800 mV的低擺幅,輸出驅動電流是可變的。因此,空載工作電流分成兩部分,核心和輸出驅動器。下面的實施例說明了納米驅動低擺幅輸出的低功率益處。例如,空載電流是由超過20%時相比,LVCMOS(2.1V)擺動改善。



總電源電流與負載要計算總電源電流,包括負載,請按照下面列出的方程。額外的負載電流來自負載電容,輸出電壓和頻率(C* V * F)的組合。由於SiT15xx包括奈米驅動低擺幅輸出和可選的輸出頻率降低到1赫茲,這兩個變量會顯著提高負載電流。納米驅動器的好處真正成為當負載電流被認為是顯著。功率是由大於40%的降低,納米驅動器作為實施例4所示。降低輸出時鐘頻率降低負載電流的顯著如例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



提高準確度與32 kHz的MEMS振盪器
老化和變異的頻率穩定性,有助於時鐘誤差誤差源。頻率穩定度是隨電壓和溫度時鐘的穩定性。該SiT15xx家庭是工廠校準(修剪),以保證頻率穩定度小於20 PPM在室溫和低於100ppm ,在整個-40°C至+85°C溫度範圍。不同於擁有經典的音叉拋物線溫度為25 °C周轉點曲線石英晶體, SiT15xx器件的溫度係數在整個溫度極為平坦。這個家庭保持在整個工作溫度範圍內小於100 ppm的頻率穩定性,當工作電壓為3.0V和4.3V之間,和150 ppm的頻率穩定性,製造低壓工作電壓可低至2.7V 。老化定義隨著時間的推移時鐘的頻率穩定度,通常以1年間隔。該SiT15xx設備的老化是± 3 ppm在25°C時相比, ± 5 PPM石英XTALs 。

移動產品可經受惡劣的環境。 MEMS振盪器進行了各種條件,例如機械衝擊和振動,電磁干擾和極端溫度下石英器件。 50,000 g衝擊70 g振動和2FIT可靠度,固有的耐用性和質量小的矽MEMS諧振器使其更強大相對於石英。有關MEMS振盪器的彈性和可靠性的詳細信息,請參閱應用註釋在www.sitime.com/support/applicationnotes

除了機械穩定性和可靠度FIT,MEMS振盪器具有可靠的啟動溫度過高。MEMS振盪器結合了正確的匹配諧振器和電路維持在同一封裝內,從而消除了啟動常見的有石英XTALs問題。

總結
移動產品設計師和製造商需要新的解決方案,使快速創新。
在MEMS計時技術的進步已經很快表現出色並超越石英計時。基於MEMS振盪器現在提供的尺寸,性能和領先的移動設備所需的功能。

‧小型和超小型計時解決方案使更薄的設計
‧更長的電池壽命,低功耗振盪器和獨特的省電功能
‧更高的可靠性和耐衝擊和振動
‧更高的性能,更好的穩定性和準確性



MEMS振盪器在設計中有一個可編程的平台使得它們非常靈活。除了尺寸和性能優勢,微機電系統定時提供顯著的供應鏈優勢。由於無晶圓廠半導體生態系統的一部分,SiTime公司充分利用了大量的半導體製造,封裝和測試基礎設施,以提供更具成本效益的解決方案,很短的時間。

隨著移動設備變得越來越複雜和時序要求的提高,SiTime的超小型MEMS的解決方案是智能手機/移動設備應用的理想解決方案。

若需任何產品詳情, 請洽凱悌 SiTime產品線企劃人員, 謝謝!