Taktgeber

Sechs Gründe, warum Sie auf Silizium-MEMS als Zeitreferenz setzen sollten

| Autor / Redakteur: Axel Gensler, Dr. Aaron Partridge * / Thomas Kuther

MEMs-Oszillatoren ermöglichen mehr Funktionen

Quarz-Unternehmen beziehen in der Regel ihre Oszillatorschaltung, was deren Entwicklung und Produktion angeht, von Halbleiterunternehmen und konzentrieren ihre eigenen Ressourcen auf die Herstellung der Quarzkristalle. Im Gegensatz dazu folgen Silizium-MEMS-Timing-Unternehmen dem Halbleitermodell und haben umfangreiches Know-How sowohl in der Gestaltung von MEMS-Resonatoren als auch im analogen Oszillatorschaltungensdesign.

Dieses „in-house“ Wissen an beiden Komponenten ermöglicht Funktionen, die von Quarzoszillatoren nicht geboten werden. Zu den MEMS Timing Funktionen gehören:

  • Anpassbare Frequenz von 1 Hz bis 625 MHz mit bis zu sechs Dezimalstellen Genauigkeit,
  • Spread-Spectrum- EMI-Reduktion,
  • Programmierbares Treiber Signal (Ausgangssignalform) zur besseren Signalintegrität und ebenfalls zur EMI-Reduktion,
  • Betriebsspannung 1,8 bis 3,3 V und 1,2 bis 4,5 V für batteriebetriebene Anwendungen,
  • Programmierbarer Frequenzziehbereich von ±25 bis ±1600 ppm bei VCXOs , VCTCXOs und DCXOs.

Diese Funktionen sind auch über einen großen Betriebstemperaturbereich verfügbar. Zudem können die MEMS-Oszillatoren in einer Vielzahl von Industriestandard-SMD-Gehäusen geliefert werden, als Drop-in-Ersatz für Quarz-Oszillatoren. Spezielle Gehäuse, ultrakleine Chip-Scale Packages mit 1,5 mm x 0,8 mm oder SOT23-5 für höhere Board-Level-Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen sind außerdem im Angebot.

Die höhere Zuverlässigkeit bieten MEMS-Oszillatoren

Silizium-MEMS-Timing-Lösungen weisen eine höhere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu Quarzlösungen auf. MEMS-basierte Oszillatoren haben eine FIT-Rate (Failure in Time) von <2, die in 500 Millionen Stunden MTBF übersetzt werden kann. Damit sind sie etwa 15-mal besser als typische Quarzlösungen.

In Bezug auf Robustheit und Unempfindlichkeit gegenüber Rauschen zeigen die folgenden Testergebnisse die Vorteile der SiTime MEMS-Oszillatoren gegenüber quarzbasierten Oszillatoren.

  • 54-mal bessere elektromagnetische Störfestigkeit (EMI),
  • 3-fach bessere Versorgungs-Rauschunterdrückung (PSNR Peak signal-to-noise ratio) gemessen in Phasen-Jitter pro mVp-p,
  • Bis zu 30-mal bessere Vibrationsfestigkeit in ppb/g, gemessen bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen,
  • Bis zu 25-mal bessere Stoßfestigkeit, gemessen bei Spitzenfrequenz-abweichung in PPM.

Diese Vorteile ergeben sich aus Größe und Struktur der Resonatoren.

Die Resonatoren in Quarzoszillatoren sind freitragende Strukturen mit Größen im Millimeterbereich und reagieren deshalb empfindlich auf Beschleunigung (Schock und Vibration).

Ein Kristall kann elektrische Resonanzen im MHz Bereich besitzen, hat aber Strukturresonanzen im kHz Bereich. Diese kHz Frequenzen können durch externe Vibrationen oder Erschütterungen angeregt werden, was sich in Vibrationsempfindlichkeit oder gar Ausfällen auswirkt. MEMS-Resonatoren sind ca. 10-mal kleiner mit bis zu 3000-fach kleinerer bewegter Masse und etwa 10-mal höherem mechanischem Mode. Sie sind daher weniger empfindlich gegenüber äußeren Vibrationen und Erschütterungen.

Auch die Verpackung sowie das Schaltungsdesign, wie sie in SiTime MEMS Oszillatoren zur Anwendung kommen, gewährleisten eine höhere Immunität gegen elektrische Störungen. Die MEMS–Resonatoren sind in unmittelbarer Nähe des ICs angebracht, so dass die „Antennenfläche“, die elektrische Störungen auffangen könnte, im Vergleich zu Quarzverpackung extrem klein ist. Mehrstufige On-Chip-Regulatoren machen die Oszillatoren widerstandsfähiger gegen Stromversorgungsrauschen.

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Ach, wir sind im Fachzeitschriften-Bereich?? Das sollte ja wohl zu erst für Autoren und Übersetzer...  lesen
posted am 13.05.2016 um 00:39 von malteneu

Ich schreibe selbst seit 18 Jahren Veröffentlichungen und ein guter Grundsatz hierbei ist: 1)...  lesen
posted am 12.05.2016 um 17:57 von jkirchhof

https://de.wikipedia.org/wiki/MEMS-Oszillator KEIN Piezo, extrem klein, relativ schlechte...  lesen
posted am 04.05.2016 um 13:03 von ibw-oberhaching

Jetzt weiß ich immer noch nicht, was MEMS sind und wie sie funktionieren. Arbeiten sie wie Quarze...  lesen
posted am 04.05.2016 um 12:01 von jkirchhof


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