CC BY
68Игорь РОМАНИВ
[email protected] Назарий ТЩИНСКИЙ [email protected]
Евгений БИРЮКОВ
[email protected] Иван КОМАРОВ [email protected]
Программируемые MEMS-генераторы
компании SiTime
В статье описано построение и функции генераторов на базе MEMS-резонаторов. Рассмотрены свойства, основные технические характеристики и области применения всего спектра программируемых генераторов фирмы SiTime, как выпускаемых, так и перспективных серий и разработок.
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-генерато-
ров 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 МБМ8-резонатор. В начале 2005 года фирма БГПте 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 МБМв-генераторов 8ГГ8002. В 2008 году фирма БГПте 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 ча-
стоты. В состав микросхемы входит MEMS-резонатор, 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. 2,5x2,0x0,85 мм;
2. 3,2x2,5x0,85 мм;
3. 5,0x3,2x0,85 мм;
4. 7,0x5,0x0,85 мм.
Рис. 1. Структурная схема программируемого МЭМС-генератора
X х/
Рис. 2. МЭМС-генератор компании SiTime
Таблица 1. Сравнительная таблица параметров генераторов SiTime
Генератор Частотный диапазон, МГц Точность по частоте, ppm Преимущества Применение
SiT8002 1-125 50 или 100 Программируемые на заводе со сроком поставки до 3 недель Аудио/видеоплееры Портативная бытовая электроника Офисная техника: сканеры,принтеры,копиры Автомобильная электроника Промышленная электроника: интерфейсные платы, графические карты
SiT8102 1-200 25, 50 или 100 Джиттер менее 4 пс Может использоваться в стандартах: • Гигабит Ethernet • 10 гигабит Ethernet • Fiber Channel • Ethernet • SATA • USB 2.0 • PCI-X • CAN 2.0 (Controller Area Network — сеть контроллеров)
SiT9001 1-200 50 или 100 Существенное понижение EMI (порядка -13 дБ на частоте 125 МГц в режиме down spread — 2% относительно режима работы без распределения спектра) Жидкокристаллические дисплеи Сканеры,принтеры,копиры Интерфейсные платы, графические карты Интерфейсы PCI, шины памяти Маршрутизаторы, модемы
SiT3700 1-125 50 или 100 Джиттер менее 10 пс Телевизионные приставки HDTV-тюнер, дисплеи DVD-R
SiT3800 1-200 50 или 100 Джиттер менее 4 пс Телекоммуникации (ADSL, VDSL)
Генераторы компании віТіше 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 8ІГ8002 — это
первый программируемый генератор корпорации віТіше, вышедший на рынок. Генератор 8ІТ8002 — полнофункциональный аналог популярного генератора вС-8002 компании Ер80п. Судя по данным, приведенным в таблице 2, генераторы віТіше 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 віТ8002 — генератор серии віТ8002ИТ 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).
Таблица 2. Сравнительная таблица генераторов SiT8002 и SG-8002
Характеристики SiT8002 SG-8002
Джиттер, пс 150 250
Температурный диапазон, °С +.+ 00 24 -- +.+ 00 24 --
Стабильность частоты и О. оо 0 - ±100 ppm -40...+85 °С
Типы корпусов, мм 2,5x2,0x0,85 3,2x2,5x0,85 5,0x3,2x0,85 7,0x5,0x0,85 3,2x2,5x1,05 5,0x3,2x1,2 7,0x5,0x1,5
Потребление, мВт 12 25
Рис. 3. Генератор SiTime SiT8002UT
Таблица 3. Характеристики генератора SiT8102
Стандарт Частота, МГц Измерения в полосе Фазовый джиттер (rms), пс
FibreChannel 106,25 637 кГц - 10 МГц 1,3
Gigabit Ethernet 125 1,875-20 МГц 0,5
SATA/SAS 75 900 кГц - 7,5 МГц 0,73
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-резона-тор, 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 ГУ На: ±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: 2,5x2,0x0,85 мм; 3,2x2,5x0,85 мм; 5,0x3,2x0,85 мм и 7,0x5,0x x0,85 мм. Широкое применение таких генераторов возможно в оптоволоконных системах, устройствах PCI-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 диапа-
20 I компоненты I генераторы
зон — 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: 2,5x2,0x0,85 мм; 3,2x2,5x0,85 мм; 5,0x3,2x0,85 мм и 7,0x5,0x0,85 мм.
Выводы
Учитывая современные требования к электронной аппаратуре по потреблению энергии и массо-габаритным характеристикам, начинающая свое активное развитие МЭМС-тех-нология 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 МЭМС-генератора SiT8002
http://www.sitime.com/products/sit8002.php
3. Описание и техническая документация МЭМС-генератора 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.
