Программируемые MEMS-генераторы компании SiTime

Сейчас сложно найти электронное устройство, где бы не использовались источники опорной частоты или генераторы. Мощное развитие компьютерной и микропроцессорной техники и ее применение в различных сферах жизни человека ведет к постоянному совершенствованию существующих устройств и разработке новых систем и изделий. Согласно повышающимся требованиям к конечным продуктам составные элементы изделия должны обладать лучшими техническими характеристиками, чем уже существующие аналоги. В частности, применение МЭМС–генераторов позволяет использовать более широкий диапазон рабочих частот, уменьшить потребление энергии и массо–габаритные характеристики изделия.

Первые устройства, использующие MEMS (Micro–Electro–Mechanical System) технологии, появились на рынке в 1965 году. А в 1967 году были опубликованы и первые статьи о MEMS–генераторах. В отличие от широко известных кварцевых генераторов, использование программируемых MEMS–генераторов позволяет разработчикам, отталкиваясь от технического задания, выбирать основные параметры генераторов — частоту и напряжение питания. Программируемые генераторы позволяют запрограммировать основные характеристики в зависимости от требований заказчика.

Основным элементом таких генераторов является MEMS–резонатор. В начале 2005 года фирма SiTime выпустила прототип резонатора по технологии 2,0 мкм, а уже в конце того же года — по технологии 0,35 мкм. В середине 2006 года начат серийный выпуск MEMS–генераторов SiT8002. В 2008 году фирма SiTime приступила к выпуску шести новых типов генераторов.

Благодаря особенности структуры (рис. 1), а именно наличию МЭМС–резонатора взамен кварцевого, МЭМС–генераторы имеют лучшие технические характеристики, в частности меньшую чувствительность к внешним механическим воздействиям и виброустойчивость.

Программируемый генератор представляет собой стабилизированный синтезатор частоты. В состав микросхемы входит MEMSрезонатор, генератор опорной частоты, цепь фазовой автоподстройки частоты с программируемыми коэффициентами делителей, блок температурной компенсации частоты и блок программируемого источника питания. Структурная схема программируемого генератора приведена на рис. 1, а его изображение — на рис. 2.

Применение MEMS–генератора позволяет избежать применения внешних компонентов, что дополнительно экономит место на плате. Сейчас фирма SiTime выпускает генераторы с двумя типами резонаторов: 5 и 20 МГц. Цепь фазовой автоподстройки частоты с программируемыми коэффициентами делителей позволяет c точностью в 1 ppm запрограммировать выходную частоту генератора. Блок температурной компенсации дает возможность минимизировать влияние изменения температуры на точность частоты с помощью предварительного определения коэффициентов компенсационного полинома. Блок программируемого источника питания представляет собой трехуровневый параметрический стабилизатор (1,8/2,5/3,3 В).

Описание и технические характеристики генераторов семейства SiTime

Компания SiTime выпускает следующие серии МЭМС–генераторов частоты — SiT8002, SiT8102, SiT9001, SiT3700 и SiT3800. Перечисленные генераторы имеют ряд общих характеристик, а также ряд особенностей (табл. 1).

Технические характеристики генераторов SiTime:

• напряжение питания: 1,8/2,5/3,3 В;
• температурный диапазон: −40 до +85 °С или от −10 до 70 °С;
• типоразмеры:
  1. 2,5×2,0×0,85 мм;
  2. 3,2×2,5×0,85 мм;
  3. 5,0×3,2×0,85 мм;
  4. 7,0×5,0×0,85 мм.

Генераторы компании SiTime обладают следующими преимуществами:

• Надежный запуск и иммунитет к интерференции.
• Устойчивость к внешнему механическому воздействию.
• Устойчивость к вибрациям.
• Не нуждаются во внешнем кварце или конденсаторе.
• Защита от статического разряда (порядка 4 кВ).

Программируемый генератор SiT8002 — это первый программируемый генератор корпорации SiTime, вышедший на рынок. Генератор SiT8002 — полнофункциональный аналог популярного генератора SG–8002 компании Epson. Судя по данным, приведенным в таблице 2, генераторы SiTime имеют лучшие шумовые характеристики, меньший размер корпуса (в случае необходимости) и, что наиболее важно, лучшую стоимость по сравнению с традиционными кварцевыми генераторами.

Для разработок, требующих минимальных габаритов, выпускается модифицированная версия генератора SiT8002 — генератор серии SiT8002UT с толщиной корпуса 0,37 мм, этот продукт сейчас является самым тонким в мире генератором (рис. 3).

По сравнению с серией 8002 генераторы 8102 обладают практически на порядок меньшим уровнем джиттера, что расширяет их сферу применения (табл. 3).

МЭМС–генераторы серии SiT8102 компании SiTime предназначены для применения в высокоскоростных последовательных устройствах передачи данных, а также в промышленном и коммерческом оборудовании. В состав генератора входит МЭМС–резонатор, схема ФАПЧ, датчик температуры, АЦП и энергонезависимая память.

Готовые приборы предлагаются в QFN–корпусе. Генератор может быть запрограммирован по заказу на любую частоту в диапазоне от 1 до 200 МГц (стабильность ±25, ±50, ±100 ppm) вне зависимости от внешних механических воздействий.

Генераторы серии SiT9001 — это новейшая разработка компании SiTime. Обладая преимуществами серии SiT8102, они, в то же время, обеспечивают понижение EMI (Electromagnetic Interference). Например, для несущей частоты 100 МГц оно составляет –13 дБ. Приведем режимы распределения спектра, относительно несущей частоты, поддерживаемые генератором:

• Center Spread Modulation: ±1%, ±0,5%, ±0,25%.
• Down Spread Modulation: −2%, −1%, −0,5%.

SiT3700 и SiT3800 — это генераторы, управляемые напряжением (ГУН).

Общие свойства, характерные для этих генераторов:

• Линейный диапазон ГУНа: ±240 ppm, ±60 ppm.
• Диапазон напряжения подстройки частоты: от 0 до 1,6 В для всех напряжений питания.

Преимущества:

• Надежный запуск и увеличенный иммунитет к интерференции.
• Устойчивость к механическому удару: до 50 000 g.
• Устойчивость к вибрации: до 70 g.
• Программирование и изготовление: до 1 000 000 шт. в течение трех недель.
• Не нуждается во внешнем кварце или конденсаторе.
• Защита от статического разряда до 4 кВ.

Перспективы развития MEMS–генераторов

Во втором полугодии 2008 года фирма SiTime планирует приступить к выпуску новых серий MEMS–генераторов: SiT9002 и SiT8003. Генератор SiT9002 представляет собой генератор с низким значением джиттера (<1 пс) и частотным диапазоном от 1 до 220 МГц и от 240 до 800 МГц (избранные частоты). Напряжение питания генератора составляет 1,8; 2,5 или 3,3 В. Ток потребления без нагрузки — менее 17 мА. Температурный диапазон — от −40 до +85 °С или от −10 до +70 °С. Геометрические размеры: 2,5×2,0×0,85 мм; 3,2×2,5×0,85 мм; 5,0×3,2×0,85 мм и 7,0×5,0×0,85 мм. Широкое применение таких генераторов возможно в оптоволоконных системах, устройствах РСI–E стандарта.

Для разного рода электронной аппаратуры с ограниченным током потребления предлагается использовать генератор SiT8003. При отсутствии нагрузки ток потребления составляет менее 3 мА. Частотный диапазон — от 1 до 200 МГц. Точность — ±50 ppm или ±100 ppm. Джиттер составляет 12 пс rms. Напряжение питания генератора — 1,8; 2,5 или 3,3 В. Температурный диапазон — от −40 до +85 °С или от −10 до +70 °С. Геометрические размеры: 2,5×2,0×0,85 мм; 3,2×2,5×0,85 мм; 5,0×3,2×0,85 мм и 7,0×5,0×0,85 мм.

Выводы

Учитывая современные требования к электронной аппаратуре по потреблению энергии и массо–габаритным характеристикам, начинающая свое активное развитие МЭМС–технология приходится как нельзя кстати, позволяя разработчикам получать более совершенные изделия, имеющие меньшую стоимость и лучшие технические характеристики.

Литература

1. www.sitime.com
2. Описание и техническая документация МЭМСгенератора SiT8002 http://www.sitime.com/products/sit8002.php
3. Описание и техническая документация МЭМСгенератора SiT8102 http://www.sitime.com/products/sit8102.php
4. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы. Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984.
5. Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых генераторов. Изд. 2–е, перераб. и доп. М.: Связь, 1975.