מתנדי MEMS‏ ניתנים-לתכנות עומדים בדרישות האמינות, ביצועים וזמני-אספקה קצרים

מתכנני מערכות עבור יישומים לצרכנים, כלי-רכב, תעשייה, רפואה, תקשורת, אינטרנט של דברים (IoT) וארגונים חייבים להתמודד עם מספר רב של דרישות תזמון שעון ומאפייני ביצועים, במיוחד כאשר נדרשת תמיכה בתקנים מהדורות הקודמים. אלה כוללים דיוק, דיוק-חוזר, יציבות, רעש מערכת, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), צריכת הספק, סוג היציאה (דיפרנציאלית או יחידה) ופרופילי Spread Spectrum שונים. האתגר עבור המתכננים הוא לעמוד בדרישות השונות עם גורם צורה קטן ועם צריכת הספק נמוכה.

ביחד עם זאת, עליהם גם לשמור את העלויות וזמני האספקה במינימום, וזה קשה עבור תצורות מותאמות-במיוחד בהן המתכננים עדיין צריכים להזמין כמויות לייצור ועלולים להתמודד עם זמני אספקה של שלושה עד חמישה שבועות, או אפילו יותר. עיכובים אלה מאטים גם את בניית האב-טיפוס והפיתוח, כמו גם את לוח הזמנים לייצור המוצר הסופי.

כדי לענות על הצורך בפתרון תזמון גמיש יותר ועם ביצועים עיליים, המתכננים יכולים להשתמש במתנדי מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ניתנות-לתכנות במקום במתנד יגביש קלאסיים. אלה עומדים או עולים על דרישות האיכות והביצועים אך מגיעים במבנים סטנדרטיים שניתן לכוונן כך שיעמדו בדרישות מותאמות-במיוחד.

מאמר זה מציג בקצרה מתנדי MEMS הניתנים-לתכנות ומתאר את האלמנטים העיקריים שלהם. לאחר מכן נבחן התקנים לדוגמה מבית SiTime ונראה כיצד ניתן לבחור ולהשתמש בהם כדי לעמוד בדרישות התזמון עבור מגוון רחב של יישומים, תוך הפחתת זמני האספקה והוזלת העלות הכוללת.

מדוע להשתמש במתנדי MEMS ניתנים-לתכנות?

עד להופעתם בשנות האלפיים של מתנדי MEMS‏, מהודי גביש קווארץ היו מעגלי התזמון הדומיננטיים. עם זאת, נתמכים על ידי חדשנות מהירה ושימוש בתהליכי סיליקון, מתנדי MEMS הפכו לפיתרון מועדף כאשר דרישות התכנים הדגישו איכות, אמינות וחוסן. בעוד שמתנדי קווארץ נותרו אופציה טובה בעלות נמוכה עבור יישומים רבים, בהשוואה להתקני MEMS ניתנים-לתכנות ומשולבים ביותר הם יכולים להיות במידה מסוימת מורכבים יותר לתכנון. לדוגמה, מתכננים העובדים עם מתנדי קווארץ צריכים לבחור את המהוד וקבל העומס הנכון כדי להימנע מבעיות כמו כשל באתחול קר וגבישים לא-מתואמים, תוך שהם פועלים להקטין למינימום הפרעות EMI.

שימושיות הכנס-והפעל של התקני MEMS ניתנים-לתכנות מונעת או מקלה ביותר סיבוכים אלה. כמו כן, תהליך הייצור הפשוט והמתוקנן שלהם, בשילוב עם גודלם הקטן, מעניקים מאפייני ביצועים, אמינות וכושר ההתאוששות אינהרנטיים. לדוגמה, השימוש בתהליכי ייצור MEMS מבוססי-סיליקון בנפח גדול מקטין למינימום את ההזדמנויות לזיהום, וכתוצאה מכך פחות חלקים פגומים למיליון (DPPM). זה מוריד את העלות, אך חשוב לא פחות עבור המתכננים, התהליך משפר את האיכות והאמינות, ומאריך את הזמן הממוצע בין תקלות (MTBF). זה ישים עבור סביבות של טמפרטורות קיצוניות, מ- C‏°‏55‏- עד C‏°‏125‏+.

ביחס לגודל, המסה הקטנה של מתנדי MEMS - מתנד MEMS סטנדרטי של 32 קילו-הרץ (kHz‏) יכול להיות מסופק במארז בגודל שבב (CSP) בגודל ראש סיכה - פירושה שהם חסונים במיוחד בנוכחות זעזועים ורעידות. כמו כן, למתנדי MEMS ניתנים-לתכנות אין חיבורי לוח מעגלים מודפסים חשופים בין המהוד למעגל המתנד, ומכיוון שמעגלי המתנד ממוטבים לתנאי רעש חשמלי, הם רגישים הרבה פחות ל- EMI. המבנה והתכן שלהם הם כאלה שהם גם פחות רגישים לרעש לוח.

אלמנטים של מתנד MEMS ניתן-לתכנות

התקן MEMS‏ ניתן-לתכנות מורכב ממהוד MEMS‏ הנתון במארז ביחד עם מעגל-משולב (IC‏) CMOS‏. IC‏ CMOS‏ זה מכיל את מעגלי הבקרה והדחיפה של המתנד האנלוגי כדי ליצור את השעון הנדרש (CLK) (איור 1). המעגלים כוללים בדרך כלל חוג נעול פאזה (PLL‏) Fractional-N והמחלקים, דוחפים, מייצבי מתח וקיזוז הטמפרטורה הנלווים, כמו גם מעגלים לדחיפת מהוד MEMS באמצעות עירור אלקטרוסטטי. הזיכרון לתכנות-חד-פעמי (OTP) המוצג באיור 1 משמש לאחסון הפרמטרים המתוכנתים.

איור 1: התכנות של מתנדי MEMS נגזר משימוש במעגלי מתנד אנלוגי ניתן-להגדרה ב- CMOS IC הנתון במארז עם מהוד MEMS, המוצג בצד שמאל (שלושה סוגים שונים, נבחרים על בסיס היישום). (מקור התמונה: SiTime)

בניגוד למתנדי גביש קווארץ, כאשר חלקים שונים נבחרים או מיוצרים על פי ה- CLK‏ הנדרש, מתנדי MEMS ניתנים-לתכנות מיוצרים באצוות של מתנדים "ריקים" המתוכנתים בשטח עבור תדרי היציאה הנדרשים. לצד התדר, פרמטרים אחרים הניתנים-לתכנות כוללים מתח הספקה, יציבות תדר וזמני עלייה/ירידה, בין היתר (איור 2).

איור 2: המגוון הרחב של אפשרויות תזמון MEMS ניתנות-לתכנות מעניק למתכננים את הגמישות לענות בצורה יעילה ועם יחס עלות-תועלת מיטבי על הצרכים של מספר דורות של מערכות על פני מגוון של יישומים. (מקור התמונה: SiTime)

כיוונון-עדין פרמטרי זה מאפשר למתכננים לתכנת את תדר היציאה כך שיתאים במדויק למעגלים-משולבים (IC‏) במורד-הזרם, כגון מיקרו-בקרים, מיקרו-מעבדים או מערכות-על-שבב (SoC). גמישות זו, המבטלת גם את הצורך בחוצצים, מחלקי תדר או PLL לתרגום תדרים חיצוניים, מפחיתה מאוד את המורכבות ומקצרת את זמן הפיתוח.

אמנם מתנדי MEMS ניתנים-לתכנות מורידים מאוד את הנטל מהמתכננים, אך נטל זה לא נעלם לגמרי. במקום זאת הנטל עובר למעלה-הזרם לספקי ההתקנים, שבהם תלויים המתכננים עבור רכיבי MEMS, רכיבים אנלוגיים ניתנים-לתכנות ומומחיות מערכות כדי להבטיח פיתרון אמין ויציב המתוכנת בקלות.

פתרונות MEMS ניתנים-לתכנות

למרות הגמישות, אין פיתרון שהוא "גודל אחד המתאים לכול" כדי לכסות את כל היישומים האפשריים על פני כל התדרים. ובכל זאת, המיומנות שנרכשה עבור תהליכי וטכנולוגיית מתנדי MEMS ניתנים-לתכנות היא עד כדי כך שניתן להתקרב לכך מאוד. לדוגמה, מתנדי SiT3521‏ (איור 3) ו- SiT3522‏ של Elite Platform‏ מבית SiTime הם בעלי יכולת תכנות בתוך-מערכת (ISP) באמצעות ממשק I2C/SPI שלהם בתחום של 1 מגה-הרץ (MHz) עד MHz‏ 340‏, ו- MHz‏ 340‏ עד MHz‏ 725‏, בהתאמה, באינקרמנטים של 1 הרץ (Hz‏).

איור 3: ל- SiT3521 (בתמונה) יש ממשק I2C/SPI דיגיטלי (מימין למטה) והוא ניתן לתכנות מ- MHz‏ 1‏ עד MHz‏ 340‏. ההתקן האח שלו, ה- SiT3522‏, ניתן-לתכנות מ- MHz‏ 340‏ עד MHz‏ 725‏. (מקור התמונה: DigiKey)

כמתנדים מבוקרים-דיגיטלית (מתנדי DCO‏), ההתקנים אינם זקוקים לממיר דיגיטלי-לאנלוגי (DAC‏) כדי לדחוף את כניסת הבקרה, והם אינם חשופים לצימוד רעש אנלוגי.

כמו כן, מכיוון שמשיכת תדרים מושגת באמצעות מחלק משוב פרקציונלי של ה- PLL, אין אי-ליניאריות של משיכה. השימוש בחוצץ משוב פרקציונלי פירושו גם שיכולת המשיכה אינה מוגבלת, כפי שהיא עשויה להיות עם מתנד גביש קווארץ מבוקר-מתח. זה מאפשר להתקנים 16 אפשרויות תחומי משיכה בתדרים בין 6.25 חלקים למיליון (ppm‏) עד ppm‏ 3200‏. שני ההתקנים יש ריצוד פאזה נמוך במיוחד של ~ 0.2 פיקו-שניות (PS) ותחומי משיכה ניתנים-לתכנות מוגדרים מ- ppm‏ 25‏± עד ppm‏ 3,200‏±. רזולוציית משיכת התדרים שלהם נמוכה עד כדי 5 חלקים לטריליון (ppt‏), והם תומכים בשלושה סוגי איתות: LVPECL, LVDS ו- HCSL.

הגמישות שלהם הופכת את ההתקנים למתאימים עבור יישומים כמו רשתות, אחסון בשרתים, שידור פומבי, טלקום ובדיקות ומדידות. כאן, הצורך בתאימות אחורה עם תקנים מהדורות הקודמים כמו למשל שידור וידאו דיגיטלי או Ethernet‏ דורש את היכולת להתאים לתדרים רבים, כמו גם דרישות שונות של ריצוד ורעש פאזה.

השימוש במתנדי MEMS ניתנים-לתכנות SiT3521 ו- SiT3522

בפעולה, ל- SiT3521 ו- SiT3522 יש אופנים: "כל תדר" ו- DCO. באופן "כל תדר", המתכננים יכולים לתכנת-מחדש את ההתקן לכל אחד מהתדרים הנתמכים. כדי להשיג זאת, עליהם לחשב תחילה את ערכי הפוסט-מחלק, מחלק המשוב וה- mDriver‏ ואז לכתוב אותם לתוך ההתקן (איור 4).

איור 4: בהתייחס לדיאגרמת הבלוקים ברמה-גבוהה של מתנד I2C/SPI, התכנות של SiT3521 ו- SiT3522 מתחיל בחישוב ערכי הפוסט-מחלק, מחלק המשוב וה- mDriver, עם ערך כניסת משתמש אחד עבור חישובים אלו שהוא תדר היציאה המיועד. (מקור התמונה: SiTime)

ערך הכניסה היחיד הנדרש מהמתכנן לצורך חישובים אלה הוא תדר היציאה הנדרש. ערכי הכניסה האחרים הם התחומים המותרים של המחלק. שימו לב שכאשר מתוכנת ערך חדש, היציאה מושבתת לזמן קצר, כך שהמתכנן צריך להתחשב בזאת.

עבור בקרה דיגיטלית, התהליך הוא פשוט יותר. ההתקן מופעל עד לתדר הפעולה ותחום המשיכה שלו, בהתאם לקוד ההזמנה של ההתקן. מנקודה זו, ניתן להגדיר הן את תחום המשיכה והן את תדר היציאה על ידי כתיבה לאוגרי הבקרה המתאימים שלהם (שמאל למעלה, איור 4). יש, עם זאת, כמה ניואנסים שיש לקחת בחשבון. לדוגמה, שינוי תדר היציאה המקסימלי מוגבל על ידי גבולות תחום המשיכה. תחום המשיכה מוגדר כמחצית סטיית שיא-לשיא, ולכן סטייה של ppm‏ 200‏ שיא-לשיא מוגדרת כתחום משיכה של ppm‏ 100‏±.

לאחר בחירת תחום המשיכה הנדרש מרשימת 16 האפשרויות (בין ppm‏ 6.25‏± ו- ppm‏ 3,200‏± שהוזכר קודם לכן), תחום המשיכה נטען לאוגר הבקרה המתאים ([Reg2 [3:0, איור 4). תחום המשיכה משפיע על דיוק התדר, בהתאם לטבלה 1.

כדי לשנות את תדר היציאה, המתכנן כותב שתי מילות בקרה: תחילה המילה הכי פחות משמעותית (LSW‏) ל- [Reg0 [15:0, ואחריה המילה המשמעותית ביותר (MSW‏) ל- [Reg0 [15:0. לאחר כתיבת ה- MSW, ההתקן משנה את ערך מחלק המשוב שלו כדי להתאים לתדר החדש. זה נעשה במהלך פרק הזמן של Tdelay‏ (איור 5).

איור 5: באופן DCO, שינוי תדר היציאה מתחיל לאחר כתיבת ה- MSW, ומסתיים לאחר שההתקן משנה את ערך המשוב שלו (במהלך Tdelay) ומתייצב (Tsettle) ב- 1% מערכו החדש (F1). (מקור התמונה: SiTime)

לאחר הגדרת ערך המחלק, היציאה מתייצבת בתחום של 1% מערך התדר הסופי. בניגוד לאופן "כל תדר", היציאה אינו מושבתת במהלך שינויי תדר. עם זאת, אם פונקציית הבקרה של אפשור יציאה (OE) מאופשרת, המתכנן יכול לבחור להשבית את היציאה באופן ידני במהלך פרק הזמן של שינוי התדר.

כדי להרגיש בנוח עם ההתקנים ולהבטיח שהם עומדים בדרישות היישום, המתכננים יכולים להתנסות איתם באמצעות לוח ההערכה SiT6712EB‏. הלוח תומך הן ב- SiT3521 והן ב- SiT3522 עם יציאות איתות דיפרנציאלי במארז QFN עם 10 פינים ומאפשר הערכה של כל ההיבטים של ההתקנים, כולל תקינות אותות, רעש פאזה, ריצוד פאזה וקלות תכנות-מחדש. הוא תומך בסוגי איתות יציאה LVPECL, LVDS ו- HCSL וכולל נקודות בדיקה למדידות תדר היציאה.

חשוב לציין כאן שמדובר במתנדים דיפרנציאליים עם זמני עלייה/ירידה של תת-ננו-שנייה. כדי להבטיח מדידות מדויקות, חשוב להשתמש בפרקטיקות הטובות ביותר למדידה, לצד בחון אקטיבי באיכות גבוהה (איור 6).

איור 6: בעת שימוש בלוח ההערכה SiT6712EB, חשוב להשתמש בפרקטיקות הטובות ביותר למדידה, כולל שימוש בבחון אקטיבי באיכות גבוהה ובראשי בחון דיפרנציאליים במהירות גבוהה. (מקור התמונה: SiTime)

לקבלת התוצאות הטובות ביותר, יש להשתמש בבחון אקטיבי עם רוחב פס של > 4 גיגה-הרץ (GHz) וקיבוליות עומס של < 1 פיקו-פאראד (pF‏) עם ראשי בחון דיפרנציאליים תואמים במהירות גבוהה. על האוסצילוסקופ הנלווה להיות בעל רוחב פס של GHz‏ 4‏ או יותר, עם כניסות של 50 אוהם (Ω).

מתנדים ניתנים-לתכנות מוכווני-יישומים מן-המדף

ישנן כמובן סדרות רבות של מתנדי MEMS ניתנים-לתכנות, ולמרות שחלקם מתאימים עבור רשתות, שידור פומבי ותקשורת, אחרים עשויים להיות בעלי מאפיינים ההופכים אותם למתאימים עבור כלי-רכב, כגון הרשאת AEC-Q100, או תעשייה, עם דגש על מאפיינים כגון תחום טמפרטורות פעולה רחב. לדוגמה, ל- SiT1602BI-33-33S-33.333330 יש תחום טמפרטורות פעולה של C°‏40- עד C°‏85+, כאשר 33.333330‏ מציין את התדר הנומינלית שלו במגה-הרץ.

ישנן גם אפשרויות מארז ומתח המתאימות עבור יישום מסוים. לדוגמה, ה- SiT1532‏ הוא מתנד CMOS‏ במתח נמוך (LVCMOS‏) של 1.2 וולט במארז UFBGA‏ עם חתימת-שטח של 1.54 מילימטרים (מ"מ) x‏ 0.84 מ"מ, וגובה של 0.60 מ"מ (איור 7). מיועד ליישומים ניידים ו- IoT, יש לו תדר נומינלי של kHz‏ 32.768‏.

איור 7‏: ה- SiT1532 הוא מתנד MEMS ניתן-לתכנות LVCMOS במארז UFBGA‏ עבור יישומי IoT‏ וניידים. (מקור התמונה: SiTime)

עבור כלי-רכב, מתנד SiT8924AE‏ MHz‏ 24‏ משלב תחום טמפרטורות פעולה רחב ביותר (C‏°‏55‏- עד C‏°‏125‏+) במארז התקן הרכבה-משטחית (SMD‏) ללא-מוליכים קטן של 2.50 מ"מ x‏ 2.00 מ"מ, וגובה של 0.80 מ"מ.

אמנם התקני MEMS ניתנים-לתכנות אלו, הכוללים עשרות סדרות, זמינים מן-המדף בתדרים הנומינליים שלהם, אך לכולם אותה צורה מקורית: מתנדים "ריקים". הם למעשה מתנדים "ניתנים-לתכנות בשטח" שהתחילו כמתנדים "ריקים" שתוכנתו-מראש במפעל עבור התדרים הנדרשים הנפוצים וקיימים במלאי אצל DigiKey.

משלוח מהיר של מתנדים מותאמים-במיוחד

הימצאות מגוון רחב של מתנדים זמינים מסייע אמנם לשיווק מעגלי תזמון נדרשים נפוצים, אך לא כל מתכנן מעוניין להתמודד עם תכנות המתנד, למרות היותו פשוט למדי, ובמקרים מסוימים הם עשויים להזדקק גם לתצורות מותאמות-במיוחד. בעבר, זמן האספקה היה של שלושה עד חמישה שבועות עבור תצורה מותאמת-במיוחד שתישלח מהמפעל. DigiKey התמודדה עם בעיה זו על ידי התקנת מכונת תכנות אוטומטית - המוקדשת לחלקים מבית SiTime - במחסן שלה (איור 8).

איור 8: מכונת התכנות האוטומטית של DigiKey, המוקדשת למתנדים של SiTime, מוצגת כאשר היא מניחה מתנד "ריק" בשקע התכנות שלו. (מקור התמונה: DigiKey)

המכונה כוללת כיום שמונה שקעים והיא יכולה לתכנת עד 1,500 יחידות בשעה, מה שמקטין את זמן האספקה לתצורות מותאמות-במיוחד ל- 24 עד 48 שעות, ללא כמויות מינימליות.

כדי לנצל את היכולת הזו, המתכננים מתחילים בפרק מתנדים ניתנים-לתכנות מבית SiTime ב- TechForum של DigiKey. לאחר הגשת בקשה, יישלח אימייל באופן מיידי לאחד מטכנאי ההנדסה של DigiKey. הם יאמתו את המק"ט החדש ויוסיפו אותו לאתר האינטרנט של DigiKey. אמנם האתר ידריך את המתכננים בתהליך ההזמנה, אך היכרות עם המינוח של חברת SiTime על תצורות המתנדים שלה יכולה להועיל (איור 9).

איור 9: כאן מוצג מינוח התצורות המשמש לרוב עבור מתנדי MEMS ניתנים-לתכנות מבית SiTime, במקרה זה הדגם הבסיסי SiT2001‏. (מקור התמונה: SiTime)

סיכום

מתכנני מערכות עבור מגוון של יישומים זקוקים לפתרונות תזמון מעגלים גמישים בכדי לעמוד במפרט ובדרישות המערכות הנוכחיות - כמו גם אלו של הדורות הקודמים והעתידיות. במקום מתנדי גביש או MEMS רבים והמעגלים ומורכבויות התכנון הנלווים, המתכננים יכולים לחסוך מקום, זמן ועלות על ידי בחירה בהתקני MEMS ניתנים-לתכנות שכבר יכולים לעמוד ברבות מהדרישות שלהם.

אם נדרשים תכנים מותאמים-במיוחד, המתכננים לא צריכים לחכות שלושה עד חמישה שבועות למשלוח מהמפעל. באמצעות מכונת תכנות ייעודית להתקני SiTime‏, DigiKey יכולה להתחיל לשלוח תצורות מותאמות-במיוחד בתוך 24 עד 48 שעות.