Precyzyjne oscylatory MEMS od SiTime

Coraz większe zagęszczenie sieci komórkowych, stosowanie nowej infrastruktury dla sieci 4G/5G oraz poddawane wysokim i stale zmieniającym się obciążeniom cieplnym elementy dużej mocy wykorzystywane w systemach telekomunikacyjnych powodują, że konieczne staje się rozmieszczanie nowych urządzeń telekomunikacyjnych w miejscach o niekontrolowanych warunkach środowiskowych. Dlatego też stosowane w tych urządzeniach precyzyjne źródła częstotliwości taktowania muszą pracować w wysokiej temperaturze, być poddawane szokom termicznym i dużym wibracjom oraz nieprzewidywalnym ruchom powietrza. Pozostaje zatem pytanie, czy technologia oparta na krysztale kwarcu może sprostać tym wyzwaniom? Otóż nie, i dlatego z pomocą przychodzą oscylatory firmy SiTime oparte o technologię MEMS. SiTime jest projektantem i dostawcą oscylatorów zbudowanych na rezonujących elementach w mikro- konstrukcjach mechanicznych (MEMS). Najnowszym i innowacyjnym rozwiązaniem jest ostatnio zaprezentowana platforma Elite Platform, w której zastosowano innowacyjną kompensację wpływu temperatury Super-TCXOs (Super Temperature Compensated Crystal Oscillator). Elementy te specjalnie zaprojektowano do precyzyjnego pomiaru czasu w urządzeniach telekomunikacyjnych i sieciowych. Sprzęt telekomunikacyjny wykorzystujący rozwiązania Elite Platform może zapewnić najwyższą wydajność, niezawodność i jakość dostarczanych usług, nawet w niekorzystnych warunkach środowiskowych. Elementy te cechują się bardzo małymi rozmiarami, dużą stabilnością częstotliwości 0.1ppm w zakresie temperatur pracy -40 to +105°C, dużym nachyleniem zbocza 1-5ppb/C (F/T), małym napięciem zasilania: 2.5- 3.3V i błędem jitteru rzędu 0.3ps. SiTime Elite Platform oparto na nowej architekturze zawierającej matrycę DualMEMS z najnowocześniejszym układem kompensacji temperatury w układzie mieszanym wykonanym w technologii CMOS, razem tworząc TurboCompensation. Architektura ta łączy w sobie najbardziej dokładne czujniki temperatury, z opracowanym systemem kompensacji temperatury Super-TCXOs oraz syntezatorem częstotliwości o niskich szumach własnych. W połączeniu, wszystkie te elementy zapewniają dużą wydajność, szeroki zakres częstotliwości i programowania oraz znikomo mały błąd typu jitter. U podstaw architektury Elite Platform leży niezwykle dokładny krzemowy czujnik temperatury oparty na dwóch rezonatorach MEMS, utworzonych na tym samym podłożu. To unikatowe rozwiązanie możliwe jest tylko w przypadku półprzewodników. Jeden rezonator MEMS (TempFlat MEMS) został zaprojektowany z płaską charakterystyką częstotliwości, drugi rezonator (Temp Sensing Resonator) jest czuły na zamiany temperatury i pracuje jako czujnik. Stosunek częstotliwości pomiędzy tymi dwoma rezonatorami, pozwala na dokładny odczyt temperatury rezonatora z rozdzielczością <30µK i jej kompensację. Konstrukcja DualMEMS eliminuje gradienty termiczne pomiędzy rezonatorem TempFlat MEMS i czujnikiem temperatury MEMS. Nie ma również opóźnienia pomiędzy rezonatorem i czujnikiem, ponieważ oba rezonatory fizycznie znajdują się na tym samym podłożu. W ten sposób powstaje 100% pętla sprzężenia termicznego. Struktura DualMEMS zamontowana jest na górze układu oscylatora, tworząc parę połączeń pomiędzy MEMS i matrycą CMOS. Dodatkowo jest również pętla PLL o niskim poziomie szumów fazowych, wysoce zintegrowane mieszane układy z regulatorami on-chip, przetwornik TDC (Temperature-to-Digital Converter) oraz możliwość przestrajania częstotliwości z zakresu od 1 do 700 MHz. Rozwiązanie TurboCompensation z kompensacją częstotliwości 100Hz, pozwala na osiągnięcie dynamicznych wydajności, lepszych niż dla kwarców opartych o standardowe rozwiązanie TCXO. Wydajność kwarców opartych o kompensację temperatury TCXO jest dużo mniejsza, ze względu na zastosowany dyskretny czujnik temperatury, który umieszczono na układzie oscylatora w pewnej odległości od rezonatora. Kryształ kwarcu zamontowano na padach i połączono do układu oscylatora poprzez przelotki (VIAs). Odległość pomiędzy rezonatorem i układem oscylatora jest konieczna, ze względu na drgania kryształu. Brak bezpośredniego połączenia pomiędzy tymi elementami uniemożliwia zaprojektowanie szybszej pętli kompensacji temperatury, bez uniknięcia problemów ze jej stabilnością. W rezultacie kwarce oparte na TCXOs pozwalają jedynie na kompensację częstotliwości z prędkością w zakresie od 5 do 10Hz. Jest ona zbyt wolna, aby śledzić szybkie zmiany, powodujące gwałtowne skoki częstotliwości, spowodowane nagłym i zmiennym przepływem powietrza i/lub temperatury. Podsumowując architektura DualMEMS zapewnia wyjątkowe działanie oscylatorów z trzech głównych powodów:

1. Zawiera niezawodne i solidne rezonatory TempFlat MEMS, w, których 10-krotnie szybciej następuje start oscylacji oraz są 30-krotnie bardziej odporne na drgania niż kwarc.
2. Czujniki temperatury DualMEMS ze 100% pętlą sprzężenia termicznego umożliwiające 40-krotnie szybsze śledzenie temperatury, co zapewnia lepszą wydajność w trakcie ruchów powietrza i gwałtownych zmian temperatury.
3. Zawiera zintegrowane układy z regulatorami on-chip, przetwornik TDC i pętlę synchronizacji fazy PLL o niskim poziomie szumów, co zapewnia 5-krotnie większą odporność na zakłócenia z sieci zasilającej, rozdzielczość temperatury 30µK – co jest 10 krotnie lepszym wynikiem niż w rezonatorach kwarcowych i możliwość przestrajania częstotliwości z zakresu od 1 do 700 MHz.

Próbki oscylatorów z Elite Platform oparte na technologii Super-TCXOs™ będą dostępne w pierwszej połowie 2017 roku.