Oletko koskaan miettinyt miten kokonaiskustannukset eroavat käyttäessäsi kideresonaattoria tai MEMS-oskillaattoria? Tämä kysymys ei ehkä tule ensimmäisenä mieleen valintaprosessissa, koska kide näyttäisi olevan hinnaltaan niin paljon halvempi – ainakin pintapuolisesti tarkasteltuna. Vaikka kiteiden yksikkökustannukset ovat yleensä oskillaattoreita halvempia, niin kokonaiskustannuksia laskettaessa tilanne näyttääkin aivan toiselta.

 Monet asiakkaat ovat esittäneet SiTimelle kidesuunniteluun liittyviä kysymyksiä ongelmakohdista, kuten kylmäkäynnistyksen epäonnistumisista, keskenään epäsopivista kiteistä johtuvista oskillaattoripiirien ongelmista tai läpäisemättömistä EMI-testeistä. Tällaiset ongelmat lisäävät suunnittelukustannuksia tuotekehityksen aikana ja voivat aiheuttaa kalliiksi käyviä laatuongelmia. Tuotejulkistusten viivästymisistä aiheutuu myös liikevaihdon menetyksiä. Seuraavassa käydään läpi kolme tilannetta, joissa asiakas on kääntynyt SiTimen puoleen saadakseen apua kustannusten hillitsemiseksi, kun halutaan selättää kidesuunnitteluun liittyvät ongelmakohdat.

Kideresonaattorin ja oskillaattorin erot

Aluksi selvitetään perusteet: miten kvartsikideresonaattori (XTAL) eroaa kideoskillaattorista (XO). Yksinkertaistetuin termein kuvattuna kide (jota kutsutaan joskus myös resonaattoriksi) on liikkuva tai resonoiva passiivinen komponentti, joka on liitetty erillisellä SoC-, mikro-ohjain- tai prosessorisirulla olevaan ulkoiseen ajastavaan oskillaattoripiiriin (kuva 1).

Kuva 1: Kiteen ja oskillaattorin ero.

Oikealla oleva oskillaattori on integroitu ajastusratkaisu, joka sisältää sekä resonaattorin että oskillaattorin samalla aktiivisella puolijohdekomponentilla. SiTimen oskillaattoreissa resonaattori perustuu piipohjaiseen mikromekaaniseen (MEMS) tekniikkaan perinteisen kvartsikiteen sijaan. Integroidun arkkitehtuurin ansiosta oskillaattorit ovat kestäviä ja asennusvalmiita ja ne ovat joustavasti ja helposti sovitettavissa järjestelmään.

Kokonaiskustannusten muodostuminen

Oskillaattorien suunnitteleminen järjestelmään on helpompaa, koska ne sisältävät toiminnallisuutta ja ominaisuuksia, joilla voidaan ratkaista yleisiä ja usein hankalia ajastukseen liittyviä ongelmakohtia. SiTime on julkistanut joitakin kokonaiskustannuksin varustettuja esimerkkiratkaisuja, jotka perustuvat Digi-Keyn ja SiTimeDirectin hinnoittelemiin samalla lähtötaajuudella, vakaudella ja pakkauskoolla varustettuihin XTAL- ja XO-piireihin. Lisäksi SiTime laskuttaa ongelmakohtien ratkaisuista syntyvät aikaperusteiset suunnittelukustannukset (100 dollaria tunnilta).

SiTimeDirect: https://www.sitime.com/sitimedirect

Jokaisella käyttötapauksella on oma läpimurtopisteensä, joka määräytyy tuotantomäärien ja suunnitteluaikojen perusteella. Yleensä kiteellä tapahtuvan suunnittelun kustannukset ovat halvemmat silloin, kun kyseessä ovat suuret volyymit ja suunnittelukustannukset tasoittuvat määrien kasvaessa. Vastaavasti oskillaattorin käyttökustannukset ovat alempia silloin, kun tuotantomäärät eivät saavuta kymmeniä tuhansia. Mutta asioilla on myös muita puolia.

Se mitä EI OLE otettu huomioon seuraavissa esimerkeissä ovat vaihtoehtokustannukset (menetetyt tulot) projektin suunnittelun viivästymisistä aiheutuvista kuluista, jotka voivat olla merkittäviä joillakin markkinoilla. Joissakin tapauksissa merkittäviä lisäkustannuksia syntyy ulkoisten palvelujen käytöstä ja testauksista. On myös muita seuraamuksia, joista voi aiheutua lisäkustannuksia. Tällaisia ovat uudelleen suunnittelussa lisämateriaaleista ja -komponenteista kertyvät kustannukset, kiteiden (mutta ei oskillaattorien) vaatimien kuormakondensaattorien kustannukset ja kondensaattorien vaatiman korttitilan kasvun kustannuksista – vaa’an kielen kääntyessä näiltä osin oskillaattorin eduksi, koska silloin kaikki nämä kustannukset jäävät pois.

Yksinkertaisuuden vuoksi seuraavassa esitettäviin esimerkkeihin on sisällytetty AINOASTAAN ajastinkomponenteista ja kiteen ongelmakohtien korjaamisesta aiheutuvat kustannukset.

1.Kylmäkäynnistyksen häiriö

Kideresonaattoreista poiketen MEMS-oskillaattoreihin ei liity käynnistyshäiriöitä. Tässä asiakkaan käyttötapauksessa tarvittiin 15 tuntia suunnittelutyötä kiteen käynnistysongelma korjaamiseen. Suhteellisen nopeasti käyttökelpoiseksi asennettavaa MEMS-oskillaattoria käytettäessä kustannukset käyvät edullisemmaksi, kun tuotantomäärät ovat enintään 6500 yksikköä. Toisin sanoen, ellei kyseessä ole hyvin suurten tuotantomäärien valmistaminen, pitkässä juoksussa kidepohjaiset ajastusratkaisut tulevat kalliimmaksi.

2. Epäsovitetun kiteen aiheuttama oskillaattorin häiriö

Koska oskillaattorit ovat integroituja ratkaisuja (resonaattori- ja oskillaattoripiirit samalla sirulla) sovitusvirheet eliminoituvat. Suunnittelijoiden ei tarvitse välittää kiteen liikeimpedanssista, aaltomuodon resonanssista, ohjaustasosta, oskillaattorin negatiivisesta resistanssista tai muista komponenttien liittämisestä aiheutuvista tilanteista. Tässä asiakastapauksessa tarvittiin 40 tuntia suunnittelutyötä sovitusongelmien korjaamiseksi, jolloin tulee edullisemmaksi käyttää oskillaattoria tuotantomäärien ollessa enimmillään 17000 kappaletta.

3. EMI-yhteensopivuushäiriöt

Kello on usein suurin sähkömagneettisten EMI-häiriöiden aiheuttaja järjestelmässä, mikä voi olla syynä siihen, ettei prototyyppi läpäise testejä onnistuneesti. SiTimen MEMS-oskillaattoreissa on käytössä useita tekniikoita, joilla voidaan nopeasti ja helposti vähentää EMI-häiriöitä. Yksi tällainen on hajaspektrikelloajastus. Toinen SiTimen kehittämä ominaisuus on ohjelmoitava FlexEdge, jolla voidaan säätää kellosignaalin nousu- ja laskuaikaa (muutosnopeutta) EMI-häiriöiden vähentämistä varten.

Passiivisina komponentteina kideresonaattoreissa ei ole tällaisia EMI-häiriöitä hillitseviä ominaisuuksia. Tällöin voi olla tarvetta käyttää suojauksia tai lisätä kiteen yhteyteen hajaspektrikellogeneraattoripiiri, mikä lisää kustannuksia ja tilantarvetta kortilla. Lisäksi kaiuttomien tilojen vuokraaminen ylimääräisten testausten suorittamiseksi lisää kustannuksia entisestään vähintään 3000 dollarilla. Kortin uudelleen suunnitteluun ja uusintatesteihin kuluu suunnittelijalta helposti 50 tuntia, jolloin MEMS-oskillaattorien käyttö on kannattavampaa enintään 23500 yksikön tuotantomäärillä. Ja tässä ei ole huomioitu edellä mainittuja materiaaleista ja testaustiloista aiheutuvia kuluja.

Tulosta syntyy – säästöjä kautta linjan

Välittömien kustannusten lisäksi on myös muita tekijöitä vaikuttamassa kideresonaattorien suunnittelukustannuksiin. Esimerkiksi oskillaattoreilla voidaan ohjata useita kuormia. Tämä tarkoittaa, että yhdellä oskillaattorilla voidaan korvata useita resonaattoreita, jotka muodostavat ajastussignaalin yhtä laitetta varten. 

Koska SiTimen oskillaattorit perustuvat ohjelmoitavaan arkkitehtuuriin, ne ovat käyttövalmiina saatavissa mille tahansa taajuus-, stabiilius- ja jännitealueelle. Suunnittelija voi joustavasti optimoida suunnittelun haluamakseen. Itse asiassa SiTimen oskillaattorit ovat ohjelmoitavissa jälleenmyyjien tai jopa asiakkaiden itsensä toimesta omissa tiloissaan käyttämällä Time Machine II -työkalua.

Ohjelmoitavuuden avulla voidaan myös vähentää toimivuuden tarkastamisesta johtuvia kustannuksia spesifikaation muutosten yhteydessä. Kustannussäästöt ja lyhyemmät suunnitteluajat ovat mahdollisia, koska MEMS-oskillaattori (ennen sen ohjelmointia) pystyy generoimaan miljoonia komponenttivariaatioita. Kun peruskomponentti on kerran kvalifioitu, se voidaan konfiguroida tukemaan suurta määrää eri spesifikaatioita.

Ehkä yksi suurimmista välillisistä kustannussäästöistä syntyy, kun laatu ja luotettavuus parantuvat. SiTimen MEMS-oskillaattorien vikaantumisluku on alle yksi viallinen kappale miljoonaa kohti (DPPM) ja keskimääräinen vikaantumisväli (MTBF) yli kaksi miljardia tuntia, mikä on jopa 50 kertaa parempi kuin kidelaitteilla. Lisäksi SiTimen MEMS-oskillaattorien iskun- ja tärinänkestävyys takaavat kvartsikiteitä pidemmän toimintaiän.

Kvartsikiteiden suurempi vikaantumistaajuus voi lisätä kustannuksia monilla tavoin, kuten perussyyanalyysin, lisäpalveluiden tai korjausten vaatimista lisäresursseista syntyvistä kustannuksista. Edelleen laatukysymyksissä ilmenevät ongelmat voivat vahingoittaa brändin mainetta pitkäksi aikaa, millä on vaikutuksensa yrityksen viivan alle jäävään tulokseen.

Käyttämällä oskillaattoreita kideresonaattorien sijaan voidaan alentaa kustannuksia eri tavoin. Murheilta ja lisäkuluilta välttyäkseen kannattaa siis suosia oskillaattoreita. Kun hankinnan tarkoituksena on vähentää komponenttikustannuksia, kokonaisuuden kannalta tarkastelu auttaa yritystä säästämään kustannuksissa ajan oloon. Oskillaattorien vaikutuksesta kustannusten alentamiseen on saatavissa lisätietoa SiTimen nettisivuilta:

The top 8 reasons to use an oscillator instead of a crystal resonator