Kideoskillaattori tahdistaa edelleen valtaosan elektroniikkalaitteista. Markkina on kuitenkin muuttumassa ja yhä useammin sovelluksiin valitaan piipohjainen MEMS-oskillaattori.

Artikkelin kirjoittaja Craig Bakke toimii tuotepäällikkönä Digi-Keyssä. Craig on todellinen pitkän linjan digikeyläinen, sillä yrityksen palvelukseen hän tuli jo tammikuussa 1996. Craig opiskeli Northland Community & Technical Collegessa Minnesotan Eas Grand Forksissa.

Kun pitää päättää elektroniikkalaitteen kellosignaalin lähde, perinteinen oletus on ollut, että ainoa realistinen vaihtoehto edes kohtuullista tarkkuutta vaativiin sovelluksiin on kvartsipohjainen oskillaattori.

Kvartsikide on dominoinut markkinoiden vuosikymmenten ajan, mutta sen puutteet ovat avaamassa mahdollisuuksia uusille tekniikoille. Kideoskillaattori nojaa materiaalin pietsosähköisiin ominaisuuksiin. Kide alkaa värähdellä kun siihen kohdistetaan sähköinen pulssi. Käänteisesti sen värähtely generoi sähköisen signaalin. Näitä kahta pietsosähköisen ilmiön ominaisuutta käytetään oskillaattorissa tuottamaan resonanssi niin, että kide oskilloi kapealla taajuusalueella. Taajuuden ja taajuusalueen kontrollointi tapahtuu kiteen koon ja muodon avulla. Mitä korkeampi taajuus halutaan, sitä pienempi kide valitaan. Ongelman muodostaa se, että hyvin pienet kiteet ovat hauraita ja niitä on vaikea valmistaa luotettavasti.

Taajuuden tiukka kontrollointi vaatii useiden ulkoisten komponenttien käyttöä ja johtaa usein täsmällisiin sääntöihin siitä, miten piirit sijoitellaan kortilla ja kuinka lähellä muita järjestelmän osia ne voivat olla.

Tuottaakseen vakaan kellosignaalin oskillaattoripiiristö pitää suojata kortin häiriöiltä. Korkeataajuuksiset dataväylät voivat aiheuttaa kytkentäkohinaa oskillaattorin palautesilmukkaan, mikä häiritsee kiteen tuottamaan suhteellisen heikkoa signaalia. Yleisesti yksinkertaisin tapa suojata oskillaattori on pitää useimmat signaalijohtimet ja komponentit usean neliösentin kokoisen ”sulkualueen” ulkopuolella.

Korkeat lämpötilan kiteen ongelma

Yksi kiteiden ongelma on se, että juottamisen aikana syntyvät korkeat lämpötilat muuttavat taajuuksia. Juotosuuneissa lämpötila voi noista yli 200 asteeseen kymmeniksi sekunneiksi, mikä tarkoittaa, että kidepohjaisissa tuotteissa 5 komponenttia miljoonasta (5 ppm) ei yllä asetettuihin rajoihin. Kidelaitteet ovat myös alttiita iskuille ja tärinälle, mikä johtuu niiden asennosta kotelossa. Näiden syiden takia elektroniikan pienentyessä sekä yhä kestävämpiä ratkaisuja haettaessa kysyntä kiteen vaihtoehdoille on kasvamassa.

Mekaaninen resonaattori

Puolijohdetekniikka on kehittynyt niin, että se voi tarjota tehokkaan vaihtoehdon. Mikrosähkömekaaninen koje eli MEMS tarjoaa yhden mahdollisuuden toteuttaa piipohjainen kellosignaalin tuottaminen. Markkinoille tulee jatkuvasti lisää tähän tekniikkaan perustuvia tuotteita.

MEMS-kellopiirin (eli kellosignaalin generaattorin) ydinkomponentti on mekaaninen resonaattori, joka on etsattu piikiekosta ja viritetty värähtelemään halutulla taajuudella. Erikokoisia ja -muotoisia massoja, kuten kiekot ja monikeilarakenteet, on kehitetty luomaan värähteleviä elementtejä, jotka yleensä saadaan liikkeeseen sähköstaattisesti. Näiden resonaattorien massa on hyvin pieni – yleensä puhutaan gramman kymmenesmiljoonasosista. Pientä massaa voidaan käyttää tuottamaan korkeita taajuuksia, jotka kiteissä vaatisivat sellaisia leikkauksia, jotka ovat vaikeita ja kalliita tehdä.

MEMS-resonaattori voidaan rakentaa erilaisista piipohjaisista materiaaleista, kuten yksikiteinen pii, popypii tai polypii-germanium (eli poly-SiGe). Resonaattorit ovat herkkiä kosteuden imeytymiselle. Yksi ainoa vesikerros voi alentaa resonaattorin toimintataajuutta niin, että ppm-lukema nousee sadoilla., kun resonaattorin massa kasvaa. Imeytymisen estämiseksi MEMS-ajastinlaitteet täytyy kapseloida pitävästi.

Värähtelytaajuus vaihtelee merkittävästi myös lämpötilan takia. Materiaalit pehmenevät lämpötilojen noustessa. Lämpötilakerroin kasvaa jopa arvoon -40ppm/°C.

MEMS-tuotteet ovat kuitenkin vähemmän alttiita lämpötilojen vaihdoksille juotosuuneissa. Esimerkiksi Maxim Integratedin MEMS-pohjaisissa reaaliaikakellopiireissä juottaminen muuttaa ominaisuuksia alle ±1ppm kaikista osista. Tämä on viisi kertaa vähemmän kuin kidepohjaisissa tuotteissa. Selvästi pienempinä tuotteina MEMS-komponentit ovat merkittävästi enemmän immuuneja iskuille ja tärinälle kuin kidepohjaiset komponentit.

Lämpötilavaikutus kompensoidaan

Lämpötilan aiheuttaman taajuuden muutos kompensoidaan MEMS-resonaattorilla tyypillisesti sähköisesti lähtösignaalia säätämällä. Tämä voidaan tehdä samaan tapaan kuin lämpötilakompensoiduissa TCXO-oskillaattoreissa (temperature-compensated crystal oscillators). Yksi digitaalinen tekniikka on tuottaa sähköinen, transimpedanssivahvistimeen perustuva referenssioskillaattori, jota syötetään PLL:n syntesoijapiiriin ja vaiheohjattuun silmukkaan. Referenssioskillaattorin lähtö mitataan kalibroinnin aikana huoneenlämpötilassa ja sitä verrataan haluttuun taajuuteen. Lähtösignaalia mitataan sitten toisessa lämpötilassa ja nämä mittaustulokset tallennetaan paikalliseen muistiin.

Koska lämpötilan aiheuttama muutos on normaalisti monotoninen, tarvitaan vain muutama mittauspiste tuottamaan ne jännitevaihtelut, joita käytetään ajamaan taajuussyntesoijaa tai PLL:ää, jotta tuotetaan haluttu lähtötaajuus.

Hybridi-MEMS

MEMS-resonaattorin suorituskyvyn parantamiseksi kide- ja MEMS-tekniikoiden ominaisuuksia on yhdistetty, käyttäen ennemmin pietsosähköistä ilmiötä kuin mekaanista värähtelyä. Esimerkiksi IDT on valmistanut pietsosähköisiä MEMS-pohjaisia oskillaattoreita. Näissä piireissä tuettu palkkirakenne on päällystetty ohuella pietsosähköisellä kalvolla, joka on valmistettu esimerkiksi alumiininitridistä tai sinkkioksidista.

Rakenteiden yhdistelmä johtaa vahvaan sähkömekaaniseen kytkentään, joka tuottaa matalaresistanssisen liikkeen ja korkeaan laatuun, siis resonanssiin. Valmistajien mukaan tällainen rakenne johtaa hyvin pitkäaikaiseen taajuuden vakauteen ja hyvin pieneen värinään. Esimerkiksi IDT:n pMEMS-tuotteissa värinä on alle pikosekunnin luokkaa tuotteissa, joiden toimintataajuus yltää 20 megahertsiin.

Jotta tuotteita voisi käyttää suuritaajuuksisessa tietoliikenteessä, verkkolaitteita ja tietokoneissa, joissa kellosignaalin lähteen pitää olla 150-200 megahertsin välillä, IDT hyödynsi omaa kykyään pakata yhteen pieni MEMS-resonaattori ja signaalinkäsittelypiiri. Näin saatiin aikaan pMEMS-tuotteet, joissa tuottavat sekä LVDS (low-voltage differential signalling) että LVPECL-signaalit (low-voltage positive emitter-coupled logic).

Sen lisäksi, että MEMS-tekniikka tarjoaa vaihtoehdon kiteelle, se luo uusia mahdollisuuksia myös pietsosähköiselle materiaalille. Hallitakseen paremmin taajuuksia Espon-Toyocom ryhtyi käyttämään mikromekaanisia tekniikoita kiteissä ja kehitti QMEMS-tuoteperheen synnyttääkseen uusia muotoja kuten ns. käänteinen mesa -rakenne – suuremman kiteen sisällä oleva korkeaseinäinen rakenne, joka on sijoitettu lähelle elektrodeja.

Tämä muoto mahdollistaa toiminnan korkeammilla taajuuksilla, sillä se ohentaa kiteen värähtelevän osan vain muutamaan mikroniin. Suurempi ympäröivä alue on jätetty vain vahvemman mekaanisen tuen takia. Ohuemman värähtelevän osan käyttäminen myös pienentää piirin herkkyyttä taajuusvaihteluille ja lämpötilamuutoksille.

Resonaattori ja signaalinkäsittely samalle sirulle

Yksi MEMSin lupauksissa on pidemmälle viety integraatio piireissä. Periaatteessa resonaattorirakenne voidaan integroida samalla sirulle kuin kompensaatio- ja muu signaalinkäsittelyn piirit. Käytännössä kustannukset ja saanto tarkoittavat sitä, että useimmat markkinoilla olevat MEMS-tuotteet ovat kahden sirun ratkaisuja. Silicon Laboratories on onnistuneet yhdistämään MEMS- ja kaupallisen CMOS-osan Si50x-sarjan tuotteissaan.

Silicon Labsin CMEMS on tekniikka, jonka avulla voidaan jälkikäteen prosessoida MEMS-rakenteita CMOS-piikiekolle käyttämällä poly-SiGeä MEMS-rakenteen materiaalina. Se voidaan kerrostaa kiekolle lämpötiloissa, jotka vastaavat niitä, joissa perinteisissä CMOS-pohjaisissa piireissä tuotetaan metallijohdotus. Tämä tarkoittaa, että poly-SiGe-rakenteiden kerrostaminen ei sulata valmiita CMOS-rakenteita, mikäli ne kerrostetaan suoraan normaalin CMOS-kiekon päälle. Etsausaineet, joilla materiaalia syövytetään resonaattorin alta, jotta se voi värähdellä, ovat vähemmän haitallisia kuin fluorivetyhappo ja muut yleisesti dedikoiduissa MEMS-prosesseissa käytettävät materiaalit.

Lähtötaajuuden vakioimiseksi Si50x-perheen CMEMS-oskillaattorit käyttävät DSPLL-tekniikkaa, jota käytetään myös Silicon Labsin kideoskillaattorien tuoteperheessä. Vakaus on saatu niin hyväksi, että viallisten piirien määräksi luvataan ±20ppm 10 vuoden aikana.

Täysin elektroninen ratkaisu

Yksi mahdollisuus on luopua kokonaan mekaanisista ja pietsosähköisistä resonaattoreista ja käyttää täysin elektronista ratkaisua. Induktori-kondensaattoriin pohjaavia resonoivia piirejä on käytetty suhteellisen heikkolaatuisina kellosignaalin lähteinä mikro-ohjaimissa joidenkin vuosien ajan. Niiden käyttökelpoisuus on kuitenkin rajallinen, sillä värinä pilaa kymmeniätuhansia osia miljoonasta. PLL-tekniikkaan kide- ja MEMS-tuotteissa tehtyjä parannuksia on käytetty kiristämään elektronisten resonaattorien määrityksiä, joten niitä voidaan käyttää nyt paljon laajemmalla tuotealueella.

Koska komponentit ovat täysin elektronisia ja niiden tuotosta kontrolloidaan hakutaulukkoon tallennetun datan avulla, ne voidaan ohjelmoida tehtaalla tuottamaan mikä tahansa haluttu taajuus omalla taajuusalueellaan. Tuotteet kuten esimerkiksi Silicon Labsin Si500 voivat tukea mitä tahansa taajuutta 900 kilohertsin ja 200 megahertsin välillä. Niiden vakaus on tasolla ±150 ppm. Koska niissä ei ole liikkuvia osia, niihin eivät iskut ja tärinät käytännössä vaikuta, eikä niihin myöskään vaikuta juottamisen aikana syntyvä lämpö.

Piin prosessointitekniikoiden kehityksen ansiosta kvartsikide ei enää ole ainoa vaihtoehto, kun suunnittelijat etsivät hyvin suorituskykyisiä ajastinratkaisuja. MEMS-piirien, MEMS-hybridipiirien ja täysin elektronisen ajoituskontrollin myötä suunnittelijoilla on nyt käytössään laajeneva valikoima tuotteita, jotka vastaavata kustannus-, tärinä- ja luotettavuusvaatimuksiin.