logotypen
 
 

IN FOCUS

IP suojaan ulkoiseen muistiin

Monet markkinoilla olevat mikro-ohjaimet tarjoavat tallennuskapasiteettia muutamien megatavujen verran, mikä vaikuttaa merkittävästi tuotteen hintaan. Sopiva vaihtoehtoinen ratkaisu on käyttää ulkoista muistia, jota voidaan hankkia suuremmissa määrissä selvästi edullisempaan hintaan ja useilla eri kapasiteettivaihtoehdoilla – yleensä muutamasta megatavusta satoihin megatavuihin.

Lue lisää...

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.

MORE NEWS

Rohde lisäsi tehoa EMC-mittauksiin

Rohde & Schwarz on julkaissut päivitetyn version ELEKTRA-ohjelmistostaan, joka tuo lisää tehoa ja automaatiota EMC-mittauksiin. Uusi ohjelmistoversio tukee kaikkia ajankohtaisia EMC-standardeja eri toimialoilla – mukaan lukien kaupallinen elektroniikka, autoteollisuus, langattomat järjestelmät, puolustus ja ilmailu.

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Tamperelaissiru purkaa useampia audiovirtoja kuin mikään muu prosessori

Tamperelainen VLSI Solution on julkaissut uuden sukupolven audioprosessorin, joka asettaa uudet standardit äänenkäsittelylle sulautetuissa järjestelmissä. VS1073-uutuuspiiri pystyy purkamaan ja käsittelemään enemmän äänenpakkausmuotoja kuin mikään muu prosessori markkinoilla – mukaan lukien uudet tuetut formaatit kuten ALAC, DSD, Opus ja AC-3.

Uusi LUMI-supertietokone yllättää: kylkeen tulee kvanttitietokone

Suomeen rakennetaan maailman tehokkainta tekoälysupertietokonetta, ja sen rinnalle kehitetään nyt myös täysin uusi kvanttilaskenta-alusta. LUMI AI Factory -hankkeen johtaja Pekka Manninen vahvistaa, että uusi huippuluokan laskentaympäristö käynnistyy keväällä 2027.

Samsungin uusin tuo tekoälyn jäässä oleville tablettimarkkinoille

Tablettimarkkinat hakevat suuntaa, mutta Samsung uskoo tekoälyyn. Yhtiö julkaisi 2. huhtikuuta uuden Galaxy Tab S10 FE -sarjan, joka tuo älykkäät ominaisuudet yhä useamman käyttäjän ulottuville. Vaikka markkina kokonaisuudessaan junnaa lähes paikallaan, Samsung pyrkii herättelemään sitä AI-pohjaisella tuottavuudella ja kevyellä muotoilulla.

Trumpin tullit aiheuttavat suurta epävarmuutta puolijohdealalla

Yhdysvaltain presidentti Donald Trump on ilmoittanut uusista tullipolitiikoista, jotka uhkaavat horjuttaa puolijohdeteollisuuden globaaleja toimitusketjuja. Trumpin hallinto on määrännyt 10 prosentin perustullin kaikkiin tuontituotteisiin ja jopa 32 prosentin tullit valikoiduille maille, kuten Taiwanille. Vaikka Taiwanin puolijohteet ovat toistaiseksi tullivapaita, alan toimijat elävät epävarmuudessa mahdollisista tulevista muutoksista.

Maailman ensimmäisessä MEMS-kompassissa ei ole liikkuvia osia

Ranskalainen teknologiayritys SBG Systems on esitellyt maailman ensimmäisen MEMS-pohjaisen gyrokompassin, joka kykenee määrittämään suunnan ilman GNSS-apua ja täysin ilman liikkuvia osia. Tämä inertianavigoinnin läpimurto avaa uuden luvun tarkassa ja kompaktissa paikannuksessa, erityisesti merenkulun ja robotiikan sovelluksissa.

Cadence demosi eurooppalaisvoimin kehitettyä ajoneuvojen SoC-piiriä

Euroopassa pitäisi vähentää riippuvuutta sekä kiinalaisesta että amerikkalaisesta tekniikasta. Muutaman viikon takaisilla Nürnbergin Embedded World -messuilla nähtiinkin tähän suuntaan kasvavia versoja. Esimerkiksi Cadence ja saksalainen Dream Chip Technologies esittelivät uuden sukupolven älykkään SoC-järjestelmäpiirin ajoneuvosovelluksiin.

LUMI-tekoälytehdas on yksi ensimmäisiä Euroopassa

LUMI-tekoälytehdas avaa uuden luvun eurooppalaisessa tekoälyn kehityksessä yhdistämällä huipputeknologian, asiantuntijuuden ja yhteistyön ainutlaatuiseksi kokonaisuudeksi. Tekoälyhubin fyysiset tilat sijoittuvat Espoon Otaniemeen Aalto-yliopiston yhteyteen, ja laskennan ydin toimii Kajaanissa, missä nykyinen LUMI-supertietokone tarjoaa maailmanluokan suorituskykyä tekoälykehitykselle.

Jyväskylän ylioppilaskylään maailman nopein opiskelijanetti

Kotimainen valokuituyhtiö Lounea toteutti Jyväskylän yliopiston ylioppilaskunnan Soihtu-asuntoihin huippumodernit nettiyhteydet. Opiskelijakylä nousi kerralla maailman kärkeen tarjoamalla asukkailleen poikkeuksellisen nopeat verkkoyhteydet. 

Painetun elektroniikan tutkija TactoTekin teknologiajohtajaksi

Oululaistaustainen elektroniikkayhtiö TactoTek on nimittänyt tekniikan tohtori Pälvi Apilon uudeksi teknologiajohtajakseen. Apilo on ollut osa TactoTekin asiantuntijatiimiä vuodesta 2018 ja toiminut viimeksi yhtiön ennakoinnin ja tutkimuksen johtajana.

Linuxista tulee parempi pelaajille

Linux-kernelin tuore 6.14-päivitys lupaa merkittäviä suorituskykyparannuksia Windows-pelejä pelaaville Linux-käyttäjille. Ytimeen on tuotu parannettu NTsync-ajuri, jonka ansiosta Wine- ja Proton-yhteensopivuuskerrosten kautta ajettavat pelit voivat hyötyä jopa satojen prosenttien teholisästä tietyissä tilanteissa.

Eficoden aprillijuttu oli hieno

Yli 600 koodaajan ohjelmistotalo Eficode päätti tänä vuonna aprillipäivän kunniaksi viedä kehittäjähuumorin uudelle tasolle julkaisemalla kuvitteellisen SUAMI-järjestelmän – Single Unified AI Metrics Indicator – joka mittaa kehittäjien tuottavuutta sielunmaiseman, eksistentiaalisen ahdistuksen ja astrologian avulla.

Maksupäätteen kosketusnäyttö vaatii vahvan tietoturvan

Kosketusnäyttö on olennainen osa jokaista nykyaikaista maksujärjestelmää ja myyntipisteen POS-päätettä (point of sale terminal). Sen tietoturvaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.

Taivuteltavien älypuhelimien markkina kutistuu ensimmäistä kertaa

Taivuteltavien älypuhelimien maailmanlaajuinen markkina kutistuu tänä vuonna ensimmäistä kertaa historiassaan, kertoo Counterpoint Researchin tuore ennuste. Vuonna 2025 odotetaan neljän prosentin laskua, mikä katkaisee segmentin tähän asti kasvaneen trendin.

Tekoäly havaitsee poikkeamat avaruudessa

AMD on julkistanut uuden avaruuskelpoisen järjestelmäpiirin, Versal AI Edge XQRVE2302:n. Se vie tekoälypäättelyn (AI inferencing) avaruuteen. Piiri on nyt saavuttanut Class B -luokituksen, joka perustuu Yhdysvaltain puolustusvoimien MIL-PRF-38535-standardin vaatimuksiin.

Julkinen Wi-Fi altistaa hakkereille – silti miljoonat ottavat riskin

Julkiset Wi-Fi-verkot löytyvät lähes jokaisesta kahvilasta, junasta ja lentokentältä. Ne houkuttelevat nopeaan nettiyhteyteen liikkeellä ollessa, mutta uuden globaalin tutkimuksen mukaan kyseessä on digitaalinen miinakenttä. Kyberturvayhtiö NordVPN:n teettämä kysely paljastaa, että 69 % matkustajista on huolissaan kyberuhkista matkan aikana – ja pelko on perusteltu.

Uudenlainen fotonitutka sopii moneen käyttöön

Belgialainen mikroelektroniikan tutkimusorganisaatio IMEC on kehittänyt uraauurtavan tutkajärjestelmän, joka voi mullistaa niin autoteollisuuden kuin terveydenhuollonkin tarkan havainnoinnin ratkaisut. Kyseessä on maailman ensimmäinen fotoniikkaan pohjautuva, koherenttiin signaalinjakeluun kykenevä 144 gigahertsin tutkajärjestelmä.

Kvanttivallankumous yhdellä sirulla

Oak Ridge National Laboratory (ORNL) on saavuttanut merkittävän virstanpylvään matkalla kohti kvantti-internettiä. Tutkijoiden kehittämä uusi siru yhdistää ensimmäistä kertaa keskeiset kvanttifotoniikan toiminnot yhdelle piirille.

Amazon maksaa Nokian videopatenttien käytöstä

Amazon ja Nokia ovat päässeet sopuun patenttikiistassaan, ja Amazon maksaa jatkossa Nokialle korvauksia yhtiön videoteknologioiden käytöstä. Sopimus kattaa Nokian multimedia- ja videopatenttien hyödyntämisen Amazonin suoratoistopalveluissa, kuten Prime Videossa, sekä yhtiön suoratoistolaitteissa.

Maksupäätteen kosketusnäyttö vaatii vahvan tietoturvan

Kosketusnäyttö on olennainen osa jokaista nykyaikaista maksujärjestelmää ja myyntipisteen POS-päätettä (point of sale terminal). Sen tietoturvaan on kiinnitettävä erityistä huomiota.

Lue lisää...

Tekoäly vaikuttaa lähes joka toiseen työpaikkaan

Tekoäly on nopeasti nousemassa maailman talouksien uudeksi moottoriksi – ja murroksen keskiössä ovat työmarkkinat. YK:n kauppa- ja kehitysjärjestön (UNCTAD) tuoreen Technology and Innovation Report 2025 -julkaisun mukaan jopa 40 prosenttia maailman työpaikoista on alttiina tekoälyn vaikutuksille. Se voi tarkoittaa joko työn automatisointia tai sitä, että työtehtävät muuttuvat perustavalla tavalla.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
 R&S -seminaari: 5G Advanced & Beyond
Oulussa 13.5.2025
Espoossa 14.5.2025
 
R&S -seminaari: Calibration
Tampereella 22.5.2025

Seminaareihin ilmoittautuminen ja tiedustelut:
asiakaspalvelu@rohde&schwarz
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

ETNinsta

THIS SPACE TEMPORARILY LEFT BLANK
 
article