Les oscillateurs MEMS programmables répondent aux exigences de fiabilité, de performances et de courts délais d'approvisionnement

Les concepteurs de systèmes pour les applications grand public, automobiles, industrielles, médicales, Internet des objets (IoT), de communications et d'entreprise doivent tenir compte d'une multitude d'exigences en matière de performances et de synchronisation d'horloge, en particulier lorsque la prise en charge des normes existantes est requise. Ces exigences incluent l'exactitude, la précision, la stabilité, le bruit système, les interférences électromagnétiques (EMI), la consommation d'énergie, le type de sortie (différentielle ou simple) et divers profils d'étalement du spectre. Le défi que doivent relever les concepteurs consiste à répondre aux diverses exigences, tout en conservant un facteur de forme réduit et une faible consommation d'énergie.

Dans le même temps, les concepteurs doivent également maintenir les coûts et les délais de livraison à un niveau le plus bas possible, ce qui est difficile pour les configurations personnalisées où il faut toujours commander des quantités importantes et faire face à des délais d'approvisionnement de trois à cinq semaines, voire plus. Ces délais ralentissent à la fois le prototypage et le développement, ainsi que le calendrier de production du produit final.

Pour proposer une solution de synchronisation plus flexible et performante, les concepteurs peuvent utiliser des oscillateurs MEMS (microsystèmes électromécaniques) programmables au lieu des oscillateurs à quartz classiques. Ils respectent ou dépassent les exigences de qualité et de performances, mais sont proposés dans des structures standard qui peuvent être adaptées afin de répondre à des besoins spécifiques.

Cet article présente brièvement les oscillateurs MEMS programmables et décrit les principaux éléments qui les composent. Il passe ensuite en revue des exemples de dispositifs de SiTime et montre comment ils peuvent être sélectionnés et utilisés pour répondre aux exigences de synchronisation d'un large éventail d'applications, tout en réduisant les délais d'approvisionnement et le coût global.

Pourquoi utiliser des oscillateurs MEMS programmables ?

Jusqu'à l'apparition des oscillateurs MEMS dans les années 2000, les résonateurs à quartz dominaient la synchronisation des circuits. Cependant, grâce à une innovation rapide et à l'utilisation de processus silicium, les oscillateurs MEMS ont été privilégiés partout où les concepteurs mettaient l'accent sur la qualité, la fiabilité et la robustesse. Si les oscillateurs à quartz restent une option intéressante et peu coûteuse pour de nombreuses applications, ils peuvent néanmoins être un peu plus complexes à mettre en œuvre dans une conception par rapport aux dispositifs MEMS hautement intégrés et programmables. Par exemple, les concepteurs qui travaillent avec des oscillateurs à quartz doivent choisir le résonateur et le condensateur de charge adéquats pour éviter des problèmes tels que l'échec de démarrage à froid et les quartz mal adaptés, tout en s'efforçant de minimiser les interférences électromagnétiques.

L'utilisation plug-and-play des dispositifs MEMS programmables permet d'éviter ou d'atténuer considérablement ces inconvénients. De plus, leur processus de fabrication simple et standardisé, conjugué à leur format compact, leur confère des caractéristiques inhérentes de performances, de fiabilité et de résilience. Par exemple, l'utilisation de processus de fabrication de dispositifs MEMS silicium à haut volume réduit les risques de contamination, ce qui se traduit par une diminution du nombre de pièces défectueuses par million (DPPM). Cela permet de réduire les coûts, mais plus important encore pour les concepteurs, ces processus améliorent la qualité et la fiabilité, en augmentant le temps moyen entre pannes (MTBF). Cela s'applique à des températures environnementales extrêmes, de -55°C à +125°C.

Pour ce qui est du format, la faible masse des oscillateurs MEMS — un oscillateur MEMS standard de 32 kilohertz (kHz) peut être conditionné dans un boîtier CSP de la taille d'une tête d'épingle — leur confère une extrême robustesse face aux chocs et aux vibrations. Par ailleurs, étant donné que les oscillateurs MEMS programmables ne présentent pas de connexions de carte à circuit imprimé exposées entre le circuit d'oscillateur et le résonateur, et que les circuits d'oscillateurs sont optimisés pour des environnements électriquement bruyants, ils sont bien moins sensibles aux interférences électromagnétiques. Leur structure et leur conception sont telles qu'ils sont également moins sensibles au bruit des cartes.

Éléments d'un oscillateur MEMS programmable

Le dispositif MEMS programmable comprend un résonateur MEMS encapsulé dans un circuit intégré CMOS. Ce circuit intégré CMOS contient le circuit de contrôle et de commande de l'oscillateur analogique pour générer la sortie d'horloge (CLK) requise (Figure 1). Le circuit inclut généralement une boucle à verrouillage de phase (PLL) fraction-N, et les diviseurs, les circuits d'attaque, les régulateurs de tension et la compensation de température associés, ainsi que le circuit permettant d'entraîner le résonateur MEMS par excitation électrostatique. La mémoire programmable une seule fois (OTP) illustrée à la Figure 1 sert à stocker les paramètres programmés.

Figure 1 : La programmabilité des oscillateurs MEMS découle de l'utilisation d'un circuit d'oscillateur analogique configurable dans un circuit intégré CMOS conditionné avec un résonateur MEMS, illustré à gauche (trois types différents, choisis en fonction de l'application). (Source de l'image : SiTime)

Contrairement aux oscillateurs à quartz, dont les différents composants sont choisis ou fabriqués en fonction de la sortie d'horloge (CLK) requise, les oscillateurs MEMS programmables sont fabriqués par lots de produits bruts qui sont programmables sur place en fonction des fréquences de sortie nécessaires. Outre la fréquence, d'autres paramètres programmables portent sur la tension d'alimentation, la stabilité de fréquence et les temps de montée/descente, pour ne citer que quelques exemples (Figure 2).

Figure 2 : Le large éventail d'options de synchronisation MEMS programmables offre aux concepteurs la flexibilité requise pour répondre de manière efficace et rentable aux besoins de plusieurs générations de systèmes dans toute une série d'applications. (Source de l'image : SiTime)

Ce réglage paramétrique fin permet à un concepteur de programmer la fréquence de sortie pour qu'elle corresponde exactement aux circuits intégrés en aval, tels que des microcontrôleurs, des microprocesseurs ou un système sur puce (SoC). Cette flexibilité, qui évite également le recours à des diviseurs de fréquence, des PLL de transposition en fréquence ou des tampons externes, réduit considérablement la complexité et le temps de développement.

Si les oscillateurs MEMS programmables allègent considérablement la tâche du concepteur, celle-ci ne disparaît pas pour autant. Au lieu de cela, elle se déplace en amont vers le fournisseur du dispositif, sur lequel les concepteurs comptent pour bénéficier d'une expertise en matière de systèmes, de dispositifs MEMS et de technologies analogiques programmables afin de garantir une solution fiable, stable et facile à programmer.

Solutions MEMS programmables

Aussi flexible soit-elle, l'option « universelle » permettant de couvrir toutes les applications possibles sur toutes les fréquences n'existe pas. Pourtant, les processus et la technologie des oscillateurs MEMS programmables ont été maîtrisés au point de pouvoir s'en approcher de très près. Par exemple, les oscillateurs SiT3521 (Figure 3) et SiT3522 de la plateforme Elite de SiTime sont capables de programmation in situ (ISP) grâce à leur interface I2C/SPI sur la gamme de respectivement 1 mégahertz (MHz) à 340 MHz, et de 340 MHz à 725 MHz, par incréments de 1 hertz (Hz).

Figure 3 : Le dispositif SiT3521 (illustré) possède une interface numérique I2C/SPI (en bas à droite) et est programmable de 1 MHz à 340 MHz. Son dispositif jumeau, le SiT3522, est programmable de 340 MHz à 725 MHz. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

En tant qu'oscillateurs à commande numérique (DCO), ces dispositifs n'ont pas besoin de convertisseur numérique-analogique (CNA) pour piloter l'entrée de commande, et ils ne sont pas soumis au couplage de bruit analogique.

De plus, comme l'entraînement de fréquence est réalisé par un diviseur à rétroaction fractionnaire de la PLL, il n'y a pas de non-linéarité d'entraînement. L'utilisation d'un diviseur à rétroaction fractionnaire signifie également que la capacité de tirage n'est pas limitée, comme ce pourrait être le cas avec un oscillateur à quartz commandé en tension (VCXO). Cela permet aux dispositifs de disposer de 16 options d'intervalle d'entraînement de fréquence entre 6,25 parties par million (ppm) et 3200 ppm. Les deux dispositifs présentent une gigue de phase ultrafaible d'environ 0,2 picoseconde (ps) et des intervalles d'entraînement programmables spécifiés de ±25 ppm à ±3200 ppm. Leur résolution d'entraînement de fréquence ne dépasse pas 5 parties par billion (ppt), et ils prennent en charge trois types de signalisation : LVPECL, LVDS et HCSL.

Grâce à leur flexibilité, ces dispositifs conviennent à des applications telles que les réseaux, le stockage sur serveur, la radiodiffusion, les télécommunications, ainsi que le test et la mesure. Dans ce cas, la nécessité d'une rétrocompatibilité avec les normes existantes, comme pour la transmission vidéo numérique ou Ethernet, suppose la prise en charge de fréquences multiples, ainsi que diverses exigences à respecter en matière de gigue et de bruit de phase.

Utilisation des oscillateurs MEMS programmables SiT3521 et SiT3522

En fonctionnement, les oscillateurs SiT3521 et SiT3522 proposent deux modes : « toute fréquence » et DCO (commande numérique). En mode « toute fréquence », les concepteurs peuvent reprogrammer le dispositif sur n'importe laquelle des fréquences prises en charge. Pour ce faire, ils doivent d'abord calculer les valeurs du post-diviseur, de la rétroaction et de mDriver, puis les écrire dans le dispositif (Figure 4).

Figure 4 : Si l'on se réfère à un schéma fonctionnel de haut niveau de l'oscillateur I2C/SPI, la programmation du SiT3521 et du SiT3522 commence par le calcul des valeurs du post-diviseur, du diviseur à rétroaction et de mDriver, la seule valeur entrée par l'utilisateur pour ces calculs étant la fréquence de sortie cible. (Source de l'image : SiTime)

La seule valeur que le concepteur doit saisir pour ces calculs est la fréquence de sortie requise. Les autres valeurs d'entrée correspondent aux plages autorisées du diviseur. Notez que lorsqu'une nouvelle valeur est programmée, la sortie est désactivée pendant une courte période ; le concepteur doit donc en tenir compte.

En mode de commande numérique, le processus est plus simple. Le dispositif se met en marche à sa fréquence de fonctionnement nominale et à son intervalle d'entraînement, conformément au code d'ordonnancement du dispositif. À partir de là, l'intervalle d'entraînement et la fréquence de sortie peuvent être définis en les inscrivant dans leurs registres de commande respectifs (en haut à gauche, Figure 4). Toutefois, quelques points sont à prendre en compte. Par exemple, la variation maximale de la fréquence de sortie est contrainte par les limites de l'intervalle d'entraînement. L'intervalle d'entraînement est spécifié comme étant la moitié de l'écart crête-à-crête ; de ce fait, un écart de 200 ppm crête-à-crête est spécifié comme intervalle d'entraînement de ±100 ppm.

Une fois l'intervalle d'entraînement requis choisi dans la liste de 16 options (entre ±6,25 ppm et ±3200 ppm, comme mentionné précédemment), il est chargé dans le registre de commande approprié (Reg2[3:0], Figure 4). L'intervalle d'entraînement affecte la précision de la fréquence, comme indiqué dans le Tableau 1.

Pour modifier la fréquence de sortie, le concepteur doit inscrire deux mots de commande : d'abord le mot le moins significatif (LSW) dans Reg0[15:0], puis le mot le plus significatif (MSW) dans Reg0[15:0]. Après l'écriture du mot MSW, le dispositif modifie la valeur de son diviseur à rétroaction pour tenir compte de la nouvelle fréquence. Cela se fait pendant la période Tdelay (Figure 5).

Figure 5 : En mode DCO, la variation de la fréquence de sortie est initiée après l'écriture du mot MSW, et se termine une fois que le dispositif a modifié sa valeur de rétroaction (pendant Tdelay) et s'est stabilisé (Tsettle) à 1 % de sa nouvelle valeur (F1). (Source de l'image : SiTime)

Après le réglage de la valeur du diviseur, la sortie se stabilise dans une limite de 1 % de la valeur finale de la fréquence. Contrairement au mode « toute fréquence », la sortie n'est pas désactivée pendant les variations de fréquence. Toutefois, si la fonction de commande logicielle d'activation de sortie (OE) est activée, le concepteur peut choisir de désactiver manuellement la sortie pendant la période de variation de la fréquence.

Pour se familiariser avec les dispositifs et s'assurer qu'ils répondent aux exigences d'une application spécifique, les concepteurs peuvent les tester à l'aide de la carte d'évaluation SiT6712EB. Cette carte prend en charge les oscillateurs SiT3521 et SiT3522 avec des sorties de signalisation différentielle dans le boîtier QFN à 10 broches et permet d'évaluer tous les aspects des dispositifs, notamment l'intégrité du signal, le bruit de phase, la gigue de phase et la facilité de reprogrammation. Elle accepte les types de signaux de sortie LVPECL, LVDS et HCSL, et inclut des points de sondage pour les mesures de fréquence de sortie.

Il est important de souligner ici qu'il s'agit d'oscillateurs différentiels avec des temps de montée/descente inférieurs à la nanoseconde. Pour garantir des mesures précises, il est important d'utiliser les meilleures pratiques de mesure, ainsi qu'une sonde active de haute qualité (Figure 6).

Figure 6 : Lors de l'utilisation de la carte d'évaluation SiT6712EB, il est important d'appliquer les meilleures pratiques de mesure haute vitesse, notamment l'utilisation d'une sonde active de haute qualité et de têtes de sonde différentielles haute vitesse appropriées. (Source de l'image : SiTime)

Pour obtenir les meilleurs résultats, il convient d'utiliser une sonde active avec une bande passante de > 4 gigahertz (GHz) et une capacité de charge de < 1 picofarad (pF), avec des têtes de sonde différentielles haute vitesse correspondantes. L'oscilloscope utilisé doit avoir une bande passante de 4 GHz ou plus, avec des entrées de 50 ohms (Ω).

Oscillateurs programmables prêts à l'emploi et orientés applications

Il existe bien sûr de nombreuses séries d'oscillateurs MEMS programmables, et si certaines conviennent aux réseaux, à la radiodiffusion et aux communications, d'autres peuvent présenter des caractéristiques qui les rendent adaptées au secteur automobile, comme une qualification AEC-Q100, ou au secteur industriel, avec des fonctionnalités telles qu'une plage de températures de fonctionnement élevée. Par exemple, le SiT1602BI-33-33S-33.333330 fonctionne sur une plage de températures comprise entre -40°C et +85°C ; 33.333330 désigne sa fréquence nominale en mégahertz.

Il existe également des options de boîtier et de tension adaptées à une application spécifique. Par exemple, le SiT1532 est un oscillateur CMOS basse tension (LVCMOS) de 1,2 volt (V) en boîtier UFBGA mesurant 1,54 millimètre (mm) x 0,84 mm, avec une hauteur de 0,60 mm (Figure 7). Ciblant les applications mobiles et IoT, il affiche une fréquence nominale de 32,768 kHz.

Figure 7 : Oscillateur MEMS programmable LVCMOS SiT1532 en boîtier UFBGA pour les applications IoT et mobiles. (Source de l'image : SiTime)

Pour l'automobile, l'oscillateur SiT8924AE de 24 MHz combine une plage de températures de fonctionnement très étendue (-55°C à +125°C) et un boîtier à montage en surface (CMS) compact, sans sorties, avec une empreinte de 2,50 mm x 2,00 mm et une hauteur de 0,80 mm.

Bien que ces dispositifs MEMS programmables, qui comprennent des dizaines de séries, soient facilement disponibles dans le commerce dans leurs fréquences nominales, ils se présentent tous sous la même forme initiale : des produits bruts. Il s'agit essentiellement d'oscillateurs « programmables sur le terrain » qui, au départ, se présentaient à l'état brut, puis ont été pré-programmés en usine avec les fréquences les plus courantes et stockés par DigiKey.

Expédition rapide d'oscillateurs personnalisés

Le fait de disposer d'une grande variété d'oscillateurs permet de commercialiser rapidement les circuits de synchronisation les plus courants, mais tous les concepteurs ne souhaitent pas s'occuper de la programmation de l'oscillateur, même si cette opération est relativement simple, et dans certains cas, ils peuvent également avoir besoin de configurations personnalisées. Dans le passé, cette dernière solution impliquait un délai de trois à cinq semaines pour que la configuration personnalisée soit expédiée de l'usine. DigiKey a résolu ce problème en installant une machine de programmation automatisée, dédiée aux composants de SiTime, dans son propre entrepôt (Figure 8).

Figure 8 : La machine de programmation automatisée de DigiKey, dédiée aux oscillateurs de SiTime, est représentée en train de placer un oscillateur brut dans son socle de programmation. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La machine dispose actuellement de huit supports et peut programmer jusqu'à 1500 unités par heure, ce qui réduit le délai d'approvisionnement des configurations personnalisées à 24 ou 48 heures, sans quantités minimales.

Pour bénéficier de cette possibilité, les concepteurs doivent se reporter à la section consacrée aux oscillateurs programmables de SiTime sur le TechForum de DigiKey. Dès qu'une demande est formulée, un e-mail est immédiatement envoyé à l'un des techniciens en ingénierie de DigiKey. Ce dernier est alors chargé de vérifier le nouveau numéro de référence et de l'ajouter au site Web de DigiKey. Bien que le site Web guide les concepteurs tout au long du processus de commande, il peut être utile de se familiariser avec la nomenclature de SiTime pour les différentes configurations de leurs oscillateurs (Figure 9).

Figure 9 : Nomenclature de configuration généralement utilisée pour les oscillateurs MEMS programmables de SiTime, dans ce cas pour le modèle de base SiT2001. (Source de l'image : SiTime)

Conclusion

Pour de nombreuses applications, les concepteurs de systèmes ont besoin de solutions de synchronisation de circuits flexibles pour répondre aux spécifications et aux exigences actuelles, anciennes et futures des systèmes. Au lieu de recourir à de multiples oscillateurs MEMS ou à quartz, avec les circuits et la complexité de conception que cela suppose, les concepteurs peuvent gagner de la place, du temps et de l'argent en optant pour des dispositifs MEMS programmables qui peuvent déjà répondre à bon nombre de leurs exigences.

Si des conceptions personnalisées sont nécessaires, les concepteurs n'ont pas à attendre trois à cinq semaines pour que la production soit expédiée depuis l'usine. Grâce à une machine de programmation dédiée aux dispositifs de SiTime, DigiKey peut commencer à expédier des configurations personnalisées en 24 à 48 heures.