Tarkka ajoitus tuottaa kaikelle elektroniikalle tärkeät sydämenlyönnit. Tahdistuksella on ratkaiseva rooli lukemattomien laitteiden, järjestelmien ja verkkojen saumattomassa toiminnassa ja synkronoinnissa. MEMS-pohjainen tarkkuusajoitus tuottaa tarkat, luotettavat, erittäin vakaat kellosignaalit älykkään, yhdistetyn elektroniikan aikakaudelle.
|
|
Artikkelin on kirjoittanut SiTImen markkinointijohtaja Piyush Sevalia. Ennen SiTimeen tuloaan Sevalia työskenteli eri markkinointitehtävissä Ikanos Communicationsissa. Hänellä on sähkötekniikan insinöörin tutkinto Mumbain yliopistosta, maisterin tutkinnon sähkötekniikasta Michiganin yliopistosta ja liiketalouden tutkinto Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä. Nykypäivän älykkään ja yhdistetyn elektroniikan aikakaudella tarkan ja luotettavan ajoitustekniikan kysyntä on kasvanut eksponentiaalisesti tekoälyn, 5G-verkkojen, pilvipalvelinkeskusten ja esineiden internetin (IoT) myötä. Nämä edistysaskeleet korostavat tarkan ajoituksen merkitystä kriittisessä verkkoinfrastruktuurissa.
Kaikki verkon solmut on synkronoitava tarkasti kasvavalla tarkkuudella suorituskyvyn ja luotettavuuden maksimoimiseksi. Esimerkiksi 5G-verkon solmut on synkronoitava satojen nanosekuntien ikkunassa, mikä on kymmenen kertaa tiukempi vaatimus kuin 4G LTE -verkoissa edellytetään.
MEMS-pohjainen ajoitus: kiteen korvaaja
Tarkkuusajoituksen tekniikka on kehittynyt nopeasti viime vuosina vastaamaan nopeiden, aikaherkkien verkkojen vaatimuksiin. MEMS-pohjaiset ratkaisut eli mikroelektromekaaniset järjestelmät ovat mullistamassa markkinoita tarkkuusajoituksen alalla. MEMS-pohjainen tarkkuusajoitus on yleistymässä nopeasti ja samalla viemässä markkinoita sata vuotta vanhalta kvartsikiteeltä, johon ajoitus on perustunut. Kvartsikiteet ovat palvelleet elektroniikkateollisuutta hyvin vuosikymmeniä, mutta MEMS-tekniikka nostaa tarkan ajoituksen suorituskyvyn ja luotettavuuden uudelle tasolle.
MEMS-resonaattorit ovat pienikokoisia mekaanisia järjestelmiä, jotka on valmistettu mikromittakaavassa, tyypillisesti mikrometrien alueella. Ne yhdistävät elektronisia, mekaanisia ja sähkömekaanisia elementtejä luodakseen erittäin vakaita ja luotettavia ajoituskomponentteja, jotka tarjoavat useita etuja perinteisiin kvartsipohjaisiin järjestelmiin verrattuna:
- Miniatyrisointi: MEMS-ajoituskomponentit ovat huomattavasti pienempiä kuin kidevastineensa, mikä helpottaa kompaktien ja kevyiden elektronisten laitteiden kehittämistä suorituskyvystä tinkimättä.
- Kestävyys: MEMS-piirit kestävät äärimmäisiä ympäristöolosuhteita, kuten lämpötilan vaihteluita, ilmavirtausta, iskuja ja tärinää, joten ne sopivat ihanteellisesti sovelluksiin, jotka vaativat vankkaa suorituskykyä ja luotettavuutta haastavissa ympäristöissä.
- Pienempi virrankulutus: MEMS-piirit ovat kiteitä energiatehokkaampia, mikä pidentää kannettavien ja IoT-laitteiden akun käyttöikää. MEMS-pohjaisten ajoitusratkaisujen alhainen virrankulutus on langattomassa mobiilissa maailmassamme yhä suurempi etu.
- Parannettu taajuuden ohjaus: MEMS-pohjaiset oskillaattorit tarjoavat paremman lähtötaajuuden hallinnan, mikä mahdollistaa tarkemman ja vakaamman ajoituksen. Tällä tarkkuudella on keskeinen rooli elektronisten järjestelmien yleisen suorituskyvyn ja synkronoinnin parantamisessa.
- Räätälöinti: MEMS-teknologia mahdollistaa ohjelmoitavien ajoitusratkaisujen kehittämisen tiettyjen sovellusvaatimusten täyttämiseksi. MEMS-ajoituslaitteet voidaan ohjelmoida 15 eri parametrille, kuten taajuudelle, käyttölämpötila-alueelle ja syöttöjännitteelle, kun taas kide valmistetaan yhdellä kiinteällä taajuudella. Tämä mukautuvuus mahdollistaa MEMS-pohjaisen tarkkuusajoituksen käyttöönoton useilla eri aloilla ja käyttötapauksissa.
Tarkemmin ja vakaammin
Tarkkuusajoituksen keskeinen mittari on taajuuden vakaus, joka vaikuttaa suoraan elektronisten järjestelmien suorituskykyyn ja luotettavuuteen. Taajuusvakaus on erittäin tärkeä sovelluksissa, kuten GNSS/GPS, tutka-, ilmailu- ja puolustuselektroniikka, 5G-verkot, autojen turvajärjestelmät ja rahoitusmarkkinoiden fintech-järjestelmät. IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) -protokollaan perustuvat reaaliaikaiset verkot vaativat myös tarkkuusajoituslaitteita, jotka loistavat erityisesti taajuuden stabiilisuudessa.
Alhaisen vaihekohinan ja olemattoman ajan kuluessa tapahtuvan poikkeaman määrittelemä taajuuden vakaus on ratkaisevan tärkeää tärkeälle ajoituskyvylle, joka kutsutaan pidoksi (holdover). Synkronoitu verkko luottaa useisiin redundanttisiin ajoituslähteisiin jatkuvan toiminnan varmistamiseksi. Yksi näistä ajoituslähteistä on erittäin vakaa paikallinen oskillaattori, tyypillisesti uuniohjattu OCXO-oskillaattori, joka "pitää" verkon tahdissa ja varmistaa jatkuvan, saumattoman verkon toiminnan, kun ulkoiset ajoituslähteet ovat häiriintyneet ja tilapäisesti poissa käytöstä. Pitojakson pituus on suoraan verrannollinen paikallisoskillaattorin stabiilisuuteen, mikä korostaa erittäin vakaan tarkkuusajoitusratkaisun merkitystä. Mitä vakaampi oskillaattori on, sitä pidempi on pitoaika ja sitä kauemmin järjestelmä voi toimia, kunnes ajoitusreferenssi muusta lähteestä kuten esimerkiksi GPS-signaalista palautetaan.
Järjestelmäkehittäjät voivat parantaa taajuuden vakautta ja minimoida ajautumisen valitsemalla erikoisajoituslaitteita, kuten OCXO-oskillaatorit ja lämpötilakompensoidut oskillaattorit (TCXO:t), jotka on suunniteltu minimoimaan lämpötilan muutoksen negatiivinen vaikutus taajuuden vakauteen. Erittäin tarkat OCXO- ja TXCO-oskillaattorit on suunniteltu tuottamaan vakaampia taajuuksia kuin perinteiset oskillaattorit, kun ne altistetaan nopeille lämpötilan muutoksille.
Uudet ultravakaat oskillaattorit ohittavat kiteet
SiTime ymmärtää kriittisen tarpeen lisätä vakautta ja pidentää pitoaikaa nykypäivän vaativissa elektroniikkasovelluksissa, joten se suunnitteli pito-oskillaattorin uudelleen kehittämällä Epoch-alustansa. Alusta erottuu siitä, että se tarjoaa kaksinkertaisen pitoajan perinteisiin kidepohjaisiin ratkaisuihin verrattuna yleisissä stressitekijöissä, mikä mahdollistaa sen, että tietoliikenne- ja pilvipalvelujen tarjoajat voivat varmistaa palvelun jatkuvuuden todellisissa olosuhteissa.
Toisin kuin Epoch-sarjan oskillaattorit, vanhat kidepohjaiset uuniohjatut oskillaattorit ovat luonnostaan epäluotettavia ja alttiita suorituskyvyn heikkenemiselle esimerkiksi lämpötilan muutoksille ja tärinälle altistuessa. Tähän mennessä OCXO-toimittajat ovat tehneet kompromisseja todellisen suorituskyvyn, luotettavuuden, koon, tehon ja lämpenemisajan suhteen saavuttaakseen yhden ominaisuuden, jota useimmat OCXO-piirit on suunniteltu tarjoamaan, eli vakaan kellon referenssin.
Epoch-alustan oskillaattorit ylittävät kideoskillaattorien rajoitukset integroimalla samalle sirulle kaksi MEMS-resonaattoria SiTimen DualMEMS-lämpötilan mittaustekniikan avulla, mikä johtaa 100-prosenttiseen lämpökytkemiseen. Tämä varmistaa 40 kertaa nopeamman lämpötilan seurannan, mikä on ratkaiseva ajoitusominaisuus erityisesti vaihtelevissa ilmavirran ja nopeiden lämpötilan muutosten olosuhteissa. Lisäksi SiTimen TempFlat MEMS:llä on 10 kertaa suurempi sietokyky lämpötilan vaihteluille verrattuna perinteisiin kideresonaattoreihin, samalla kun se eliminoi aktiivisuuden laskut. Erittäin pieni MEMS-resonaattori, jolla on erittäin pieni massa, lieventää g-voiman vaikutuksia, mikä johtaa 30 kertaa parempaan tärinänsietoon kuin kiteellä. Innovatiivisen MEMS-tekniikan yhdistäminen SiTimen edistyneen analogisen piirin kanssa tuottaa poikkeuksellisen dynaamisen vakauden, erittäin alhaisen vaihekohinan ja laajan taajuusalueen.
Epoch-alustan oskillaattorit ylittävät kideoskillaattorien rajoitukset.
Epoch-sarjan OCXO-oskillaattorit mahdollistavat 12 tunnin pitoajan, tukevat mitä tahansa taajuutta välillä 10–220 MHz, ovat ohjelmoitavissa kuuden desimaalin tarkkuudella ja tarjoavat digitaalisen ohjauksen I2C- ja SPI-liitännöillä. Tämä joustavuus hakee vertaistaan. Nämä MEMS-pohjaiset OCXO:t on suunniteltu pieneen virrankulutukseen, ja ne kuluttavat vain 420 mW, mikä on vain kolmasosa kiteiden tehonkulutuksesta. Epoch-oskillaattorien pieni koko (9 x 7 x 3,73 mm) vie 9 kertaa vähemmän tilaa piirikortilla ja on 3 kertaa ohuempi kuin vastaavat kvartsipohjaiset ajoitusratkaisut. Tämä tuo laitteistosuunnittelijoille enemmän vapauksia.
SiTimen Epoch-alusta luo uuden MEMS-pohjaiselle tarkkuusajoitukselle, mikä varmistaa nanosekunnin tarkkuuden kriittisessä verkkoinfrastruktuurissa. Poikkeuksellisen vakauden, pidemmän pitoajan, korkean luotettavuuden ja alhaisen virrankulutuksen ansiosta Epoch-alusta on valmis mullistamaan tarkan ajoituksen maailman tehden siitä korvaamattoman tekniikan nykypäivän älykkäälle, yhdistetylle elektroniikalle.
– Paikannuksen tarkkuudessa, luotettavuudessa ja virrankulutuksessa otetaan nyt merkittäviä edistysaskelia, sanoo u-bloxin toimitusjohtaja Matthias Poppel. Münchenin Electronica-messuilla yhtiö esittelee GNSS-moduulia, joka lupaa alle kahden nanosekunnin ajoitustarkkuuden kriittisen infrastruktuurin tarpeisiin.
Teollisuuden sulautetut järjestelmät suunnitellaan usein 10–15 vuoden käyttöikää varten. Muistitekniikka ja komponenttien saatavuus muuttuvat kuitenkin huomattavasti nopeammin. Kingstonin Suomen liiketoiminnan kehityspäällikkö Mikko Maanoja korostaa, että muistivalinnat ja komponenttien elinkaaren hallinta on otettava huomioon jo laitteen suunnitteluvaiheessa.
Saksalainen Rohde & Schwarz on esitellyt Münchenin Electronica-messuilla uuden FNH-käsianalysaattorin, joka yhdistää spektrianalyysin, reaaliaikaisen spektrianalyysin, vektoriverkkoanalyysin ja tehomittaukset samaan laitteeseen. Uutuuden merkittävin tekninen ominaisuus on jopa 125 megahertsin reaaliaikainen analyysikaista, joka on valmistajan mukaan luokkansa levein.
Emerson laajentaa NI PXI-mittalaitevalikoimaa uusilla, aiempaa edullisemmilla moduuleilla. Samalla yhä useammat mittausjärjestelmät pääsevät hyödyntämään Nigel-tekoälyavustajaa, joka nopeuttaa automatisoitujen testien kehittämistä ja vianetsintää.
5G-yhteyden rakentamiseen ei välttämättä tarvita matkapuhelinoperaattoria, SIM-kortteja eikä lisensoitua radiotaajuutta. DECT NR+ tuo 5G-standardin ominaisuuksia paikallisiin IoT-verkkoihin, joissa tarvitaan pitkää kantamaa, pientä viivettä ja luotettavaa tiedonsiirtoa. Uusi tekniikka yhdistää itsestään järjestäytyvän mesh-verkon, energiatehokkuuden ja nopean tiedonsiirron tavalla, joka haastaa monet nykyiset langattomat ratkaisut.