Programmation personnalisée d'oscillateurs MEMS de SiTime par DigiKey

Les oscillateurs MEMS (microsystèmes électromécaniques) au silicium constituent une solution de temporisation de plus en plus plébiscitée par les concepteurs qui souhaitent que leurs applications répondent à des normes de qualité supérieures. Outre une précision de temporisation accrue, l'idée est de développer des produits présentant divers critères : une usure moins rapide, un fonctionnement dans diverses conditions, une autonomie batterie étendue et un format plus compact. Jusqu'à présent, c'est l'entreprise SiTime qui domine le marché des solutions de temporisation au silicium, avec 90 % des parts de marché et plus d'un milliard d'unités fournies.

En raison de leur conception et de leur construction, les oscillateurs MEMS sont supérieurs par nature aux résonateurs à quartz traditionnels. Grâce à leur processus de fabrication standardisé et moins compliqué, les oscillateurs MEMS présentent moins de risques de contamination. Résultat : un nombre de pièces défectueuses par million (DPPM) et un temps moyen entre pannes (MTBF) 30 fois supérieurs, pour une qualité et une fiabilité améliorées. Ces oscillateurs sont aussi bien plus robustes face à la plupart des conditions environnementales. Étant donné que les oscillateurs MEMS 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 les conditions électriquement bruyantes, ils sont bien moins sensibles aux EMI (interférences électromagnétiques). Par ailleurs, grâce à leur masse plusieurs milliers de fois inférieure à celle des résonateurs à quartz, ils sont bien moins sensibles aux chocs et aux vibrations. Des caractéristiques de conception similaires les rendent aussi moins sensibles à la température de fonctionnement et au bruit de la carte.

Mais les résonateurs à quartz ont un avantage manifeste : ils sont bien moins onéreux que les oscillateurs MEMS. Et cela peut suffire à pousser de nombreux utilisateurs à ignorer tous les avantages que nous venons d'évoquer pour se tourner vers le quartz. En outre, certaines applications ne nécessitent tout simplement pas de composants aussi qualitatifs, fiables et robustes que les oscillateurs MEMS. Cependant, il ne faut pas oublier les coûts qui s'ajoutent au coût initial des composants. Premièrement, les résonateurs à quartz nécessitent un effort d'ingénierie plus important, non seulement pour choisir le résonateur qui convient, mais aussi pour éviter et contourner les problèmes courants comme une panne lors du démarrage à froid, des quartz qui ne correspondent pas, un défaut de conformité EMI, etc. Les oscillateurs MEMS, quant à eux, simplifient considérablement la conception du système en étant « plug-and-play », ce qui signifie que les problèmes mentionnés ci-dessus ne s'appliquent pas et que le démarrage des oscillateurs est garanti. Deuxièmement, grâce à leur empreinte réduite, leur capacité à commander plusieurs charges et le fait qu'ils ne nécessitent pas de condensateurs de charge, les oscillateurs MEMS utilisent beaucoup moins d'espace sur la carte et leur coût de nomenclature global est réduit. Enfin, les oscillateurs MEMS de SiTime sont programmables, ce qui augmente leur disponibilité et permet aux ingénieurs d'être plus flexibles dans leur conception afin d'accélérer la mise sur le marché.

Solution de temporisation complète, les oscillateurs de SiTime associent un résonateur MEMS à un circuit intégré CMOS programmable, qui inclut le circuit oscillant, la boucle à verrouillage de phase (PLL), la compensation de température, les régulateurs de tension et les filtres, et ce dans un même boîtier. Contrairement aux résonateurs à quartz, où différents composants doivent être fabriqués pour atteindre différentes fréquences de résonance, les oscillateurs MEMS sont conçus en fabriquant des lots d'oscillateurs programmables sur le terrain (ou vierges), puis en les programmant au moyen de différentes configurations afin de produire différentes fréquences de sortie. De nombreux autres paramètres sont configurables en plus de la fréquence, notamment la tension d'alimentation, la stabilité de fréquence, la force de commande de sortie (c.-à-d. les temps de montée/descente), etc. SiTime produit plusieurs séries d'oscillateurs qui couvrent chaque type d'oscillateur (p. ex., TCXO, VCXO, DCXO, OCXO et SSXO) et plusieurs catégories spécialisées, comme les composants basse consommation, automobiles, renforcés, etc. Actuellement, des dizaines de séries d'oscillateurs sont proposées et des centaines de numéros de référence vierges sont disponibles. À partir de cet ensemble relativement réduit de références vierges, des milliards de numéros de référence peuvent être générés.

À titre d'exemple, le numéro de référence vierge SIT2001BI-S1-XXX-000.FP000 correspond à l'oscillateur SOT23 de la série standard SiT2001 dans la plage de températures industrielles. La composition des numéros de référence de cette série est illustrée ci-dessous à la Figure 1. Notez que la fréquence peut être sélectionnée pour une plage de 1 MHz à 110 MHz, avec une précision à six décimales ! Autrement dit, ce composant physique peut à lui seul produire 109 000 001 fréquences au total. Et avec trois options de broche (Feature Pin), six options de tension d'alimentation (Supply Voltage), trois options de stabilité de fréquence (Frequency Stability) et neuf options de force de commande de sortie (Output Drive Strength), 52 974 milliards de numéros de référence peuvent découler de cette référence vierge.

Figure 1 : Guide de numéros de référence, extrait de la fiche technique de la série SiT2001B d'oscillateurs de SiTime. (Source de l'image : SiTime)

Ces composants vierges peuvent être programmés en usine par SiTime à des volumes de production avec un délai d'approvisionnement de 3 à 5 semaines. Jusqu'à présent, DigiKey a commandé ces composants préprogrammés à SiTime et a gardé en stock la plupart des configurations d'oscillateurs les plus populaires dans chaque série. Ce fonctionnement est semblable à la façon dont nous traitons les composants non programmables, comme les résonateurs à quartz, et il convient aux clients qui commandent des configurations d'oscillateur standard. Cependant, un client qui demande une configuration personnalisée doit patienter pendant le délai d'approvisionnement de 3 à 5 semaines pour une commande impliquant d'importantes quantités minimum. Lorsque de telles demandes personnalisées sont formulées, les références sont ajoutées à notre catalogue, mais ne sont généralement pas gardées en stock puisqu'elles ne sont commandées que très rarement. Lors du dernier inventaire, DigiKey comptait 176 509 références différentes d'oscillateurs de SiTime sur son site Web, mais seules 5913 d'entre elles (3,35 % à peine) étaient en stock.

Pour surmonter ces problèmes et commencer à tirer pleinement parti de la programmabilité des oscillateurs de SiTime, nous avons récemment ajouté à notre entrepôt une machine de programmation automatisée spécialisée dans la programmation des composants de SiTime. Cette machine (Figure 2) utilise actuellement huit emplacements de programmation et est capable de programmer près de 1500 unités par heure. La majorité des références de notre catalogue peut maintenant être commandée avec un délai d'approvisionnement de seulement 24 à 48 heures, sans quantité minimum ! DigiKey stocke simplement les composants vierges de SiTime, plutôt que ceux qui sont préprogrammés en usine, et les programme selon les commandes. Nous avons donc maintenant en stock pratiquement tous les oscillateurs de SiTime figurant dans notre catalogue, à l'exclusion seulement de certaines séries spéciales qui nécessitent une programmation en usine. Autrement dit, maintenant que nous sommes passés à la programmation personnalisée, nous avons 99 % des oscillateurs de SiTime en stock dans notre système, contre seulement 3,35 % auparavant.

Notez que si le processus de commande d'oscillateurs de SiTime reste inchangé, les commandes personnalisées doivent maintenant être envoyées par l'intermédiaire de la catégorie SiTime Programmable Oscillators sur le TechForum de DigiKey. Dès qu'une demande est formulée, un e-mail est immédiatement envoyé à l'un de nos techniciens en ingénierie des applications, qui vérifie le nouveau numéro de référence et le fait ajouter au site Web de DigiKey.

Figure 2 : Photographie de la machine de programmation automatisée de DigiKey, illustrant le placement d'un oscillateur vierge dans l'un des emplacements de programmation. (Source de l'image : DigiKey)

Les oscillateurs MEMS de SiTime constituent une alternative intéressante aux solutions de temporisation traditionnelles. De meilleure qualité, plus fiables et plus robustes, ces dispositifs affichent également une conception intégrée et programmable qui n'entraîne pas de coûts d'ingénierie élevés. En outre, ils occupent moins d'espace carte et permettent une plus grande flexibilité de conception. À partir de quelques centaines de références de base couvrant la collection complète de gammes d'oscillateurs, des milliards de numéros de référence avec des configurations uniques peuvent être dérivés. Toutefois, sans distributeur tirant pleinement parti de cette capacité, seules les configurations d'oscillateurs standard seraient disponibles. En effet, avant d'utiliser une machine spécialisée dans la programmation automatisée d'oscillateurs de SiTime, les configurations personnalisées inhabituelles pouvaient uniquement être obtenues dans d'importantes quantités de production avec des délais d'approvisionnement considérables. Mais aujourd'hui, grâce à l'expédition rapide et à la capacité de programmation personnalisée de DigiKey, les clients peuvent se procurer pratiquement toutes les configurations d'oscillateurs de SiTime, quelle que soit la quantité et en quelques jours seulement !