Введение
Хотя считается, что лучшее – враг хорошего, замена устоявшихся технологий новыми нередко предоставляет новые функциональные возможности и улучшает параметры устройств. В течение последних 50 лет полупроводниковая электроника двигалась в направлении, которое кратко можно выразить девизом: быстрее, миниатюрнее, дешевле.
Однако в настоящее время в некоторых приложениях, в т.ч. в автомобильных системах полупроводниковая электроника не всегда удовлетворяет растущим требованиям к функциональным возможностям компонентов. Речь идет о схемах синхронизации и тактирования, требования к которым за полезнее время существенно возросли.
Мы обсудим новые требования и, исходя из них, рассмотрим различия между МЭМС-осцилляторами, и осцилляторами, изготавливаемыми с помощью традиционных технологий на основе кварцевых кристаллов. Кроме того, мы познакомим читателей с новым классом МЭМС-осцилляторов для автомобильной электроники, которые предназначены для эксплуатации в наиболее критичных, с точки зрения точности и стабильности, цепях и обеспечивают повышенную надежность.
Новые требования в автомобильной электронике
Усовершенствованным системам помощи водителю (ADAS), в состав которых входят видеокамеры, ультразвуковые датчики, лидары, радары, информационно-развлекательные системы и т.д., требуются тактовые последовательности, сформированные с малыми погрешностями. МЭМС-осцилляторы использовались в автомобильной электронике и прежде, но с появлением новых дополнительных систем и увеличением функциональности ADAS требования к этим устройствам значительно возросли.
Одним из главных требований является надежность. Осцилляторы на основе кварцевых резонаторов представляют собой тонкую кристаллическую конструкцию в металлическом корпусе. Они чувствительны к механическим вибрациям; кроме того, у них ограничена максимальная генерируемая частота колебаний. Увеличение размера кристалла ведет к уменьшению его механической прочности.
В то же время МЭМС-осцилляторы, лишенные многих из этих недостатков, формируют заметно более высокую частоту колебаний. МЭМС-осцилляторы также превосходят кварцевые и по механическим свойствам – у них в 20 раз выше надежность, в 500 раз более устойчивы к одиночным ударам, а их вибростойкость выше в пять раз.
Помимо высокой механической прочности еще одним преимуществом МЭМС-осцилляторов являются их малые размеры, что весьма важно в автомобильной электронике из-за довольно жестких ограничений на размер электронных блоков. Обе упомянутые нами причины являются важным движущим фактором на пути внедрения МЭМС осцилляторов в автомобильную электронику.
Не менее важным преимуществом МЭМС-осцилляторов является их способность поддерживать стабильную частоту при высокой рабочей температуре. Доступные в настоящее время МЭМС-осцилляторы соответствуют требованиям стандарта AEC-Q100 Grade 1 с диапазоном рабочей температуры –40…85°С (см табл. 1).
В то же время характеристики кварцевых кристаллов имеют явно выраженную нелинейную зависимость от температуры, и поддержание стабильной частоты в широком диапазоне рабочей температуры является для них непростой задачей. На рынке имеются кварцевые осцилляторы с широким диапазоном рабочей температуры–50…125°С, но стоимость этих устройств высока.
Расширенный диапазон рабочей температуры для автомобильной электроники является обычным требованием – из-за малых размеров модулей ухудшается отвод тепла. В этих условиях может происходить локальный разогрев, когда силовой ключ или микросхема с большим энергопотреблением разогревается до высокой температуры из-за недостаточного теплоотвода, отчего разогреваются и расположенные рядом с ней компоненты. Следует также учесть, что некоторые модули могут размещаться в подкапотном пространстве с повышенной температурой.
В МЭМС-осцилляторах температурная стабильность достигается за счет встроенной схемы активной температурной компенсации. Значение температуры может измеряться до 30 раз в секунду; соответственно, корректируется частота выходных импульсов. Температурный дрейф при такой компенсации не превышает ±20 ppm. По мере все большего внедрения электроники и увеличения производительности электронных модулей будет обостряться и проблема теплоотвода, а, следовательно, и проблема температурной стабильности используемых компонентов.
Таблица 1. Градация диапазонов рабочей температуры согласно стандарту AEC-Q100
Grade (класс) |
Диапазон рабочей температуры |
|
Нижняя граница |
Верхняя граница |
|
0 |
–40°С |
150°С |
1 |
–40°С |
125°С |
2 |
–40°С |
105°С |
3 |
–40°С |
85°С |
4 |
0°С |
70°С |
Технологии МЭМС-осцилляторов
Основой МЭМС-осциллятора является МЭМС-резонатор, который вытравливается из кремния. Конструкция резонатора со свободной опорой (FFS) показана на рисунке 1. Поскольку балка резонатора размером 30×50 мкм, прикрепленная с помощью четырех опор к подложке, отделена от нее узким зазором, балка может свободно совершать колебания.
Рис. 1. Конструкция МЭМС-резонатора со свободной опорой
Эта балка и расположенные под ней электроды находятся под разным напряжением, образуя электростатический преобразователь. При движении балки преобразователь ведет себя как конденсатор с изменяющейся во времени емкостью, за счет чего изменяется резонансная частота колебаний контура.
Для обеспечения высоких технических параметров процесс корпусирования и герметизации осуществляется в вакууме с использованием термоплавких соединений. Полученная таким образом пластина встраивается в микросхемы. На рисунке 2 показано, как пластина резонатора встраивается в корпус микросхемы ASIC.
Рис. 2. Установка пластины резонатора в корпус микросхемы ASIC
В однократно программируемое ПЗУ, встроенное в микросхему ASIC, записываются параметры ФАПЧ, задается выходная частота, программируется делитель частоты, параметры температурной компенсации и т.д. В ASICМЭМС можно добавить целый ряд функциональных возможностей, которые недоступны при использовании кварцевых кристаллов. Например, можно расширить спектр, чтобы уменьшить электромагнитные помехи. С той же целью можно скорректировать длительность нарастания и спада выходных импульсов тактовой частоты.
Времязадающие МЭМС-компоненты для автомобильной электроники
Недавно появившиеся на рынке микросхемы DSA11x1 и DSA11x5 от Microchipпредставляют собой осцилляторы и тактовые генераторы на основе МЭМС-технологии. Их структурная схема показана на рисунке 3.
Рис. 3. Структурная схема DSA11x1 и DSA11x5
Микросхемы соответствуют стандарту AEC-Q100. Для уменьшения электромагнитных помех в модификациях DSA1101/21 и DSA1105/25 увеличена длительность фронта импульсов. Основные параметры микросхем:
· диапазон рабочей частоты: 2,3–170 МГц;
· стабильность: ±20 ppm;
· джиттер: не более 1 пс;
· диапазон рабочей температуры: –40…125°С.
· размеры корпуса: 2,5×2,0×0,85; 3,2×2,5×0,85 и 3,2×2,5×0,85 мм.
С помощью встроенного датчика температуры осуществляется корректировка ФАПЧ. Показания температуры в цифровом виде поступают на декодирующую матрицу, в которую производитель при изготовлении записывает корректировочные коэффициенты для устранения технологических отклонений, а также коэффициенты для компенсации изменения температуры. Таким образом, достигается температурная стабильность, и минимизируются погрешности. На рисунке 4 показаны сравнительные температурные характеристик микросхемы DS1101 и аналогичных микросхем других изготовителей.
Рис. 4. Сравнительные температурные характеристик микросхемы DS1101 и аналогичных микросхем других изготовителей
Следует обратить внимание и на микросхему DSA2311 от Microchip. Это первый в отрасли МЭМС-осциллятор с двумя выходами, сертифицированный по стандарту AEC-Q100. Диапазон частоты осциллятора составляет 23–170 МГц. Размер его корпуса всего 2,5×2,0 мм (см. рис. 5).
Рис. 5. Осциллятор DSA2311
Структурная схема осциллятора DSA2311 показана на рисунке 6.
Рис. 6. Структурная схема осциллятора DSA2311
Осциллятор DSA2311 позволяет заменить два осциллятора, каждый из которых имеет один-единственный выход. Пример такой замены показан на рисунке 7.
Рис. 7. Пример использования осциллятора DSA2311 с двумя выходами
Осциллятор позволяет сэкономить занимаемое на плате место, что в условиях жесткого ограничения габаритов изделия является немаловажным фактором. МЭМС-осцилляторы компании Microchip, соответствующие стандарту AEC-Q100, показаны в таблице 2.
Таблица 2. МЭМС-осцилляторы Microchip, соответствующие стандарту AEC-Q100
Наименование |
Выходная частота (мин.), МГц |
Выходная частота (макс.), МГц |
Тип выходного каскада |
Стабильность частоты, ppm |
Диапазон рабочей температуры, °С |
Напряжение питания, В |
Ток потребления, мА |
Джиттер (пик.), пс |
Управление режимами |
Емкость нагрузки, пФ |
Размеры корпуса |
DSA1001 |
1 |
150 |
LVCMOS |
±20; ±25; ±50 |
–40…105 |
1,62–3,63 |
5 |
6 |
останов |
15 |
5,0×3,2 мм; 3,2×2,5 мм; 2,5×2,0 мм; 4-выводной корпус |
DSA1101 |
2,3 |
170 |
LVCMOS |
±20; ±25; ±50 |
–40…125 |
2,25 – 3,63 |
21 |
3 |
останов |
15 |
5,0×3,2 мм; 3,2×2,5 мм; 2,5×2,0 мм; 6- выводной корпус |
DSA1121 |
2,3 |
170 |
LVCMOS |
±20; ±25; ±50 |
40…125 |
2,25 – 3,63 |
21 |
3 |
разрешение работы OE |
15 |
|
DSA1105 |
2,3 |
170 |
LVCMOS |
±20; ±25; ±50 |
–40…125 |
2,25 – 3,63 |
20 |
3 |
останов |
5 |
|
DSA1125 |
2,3 |
170 |
LVCMOS |
±20; ±25; ±50 |
–40…125 |
2,25 – 3,63 |
20 |
3 |
разрешение работы OE |
5 |
|
DSA2311 |
2,3 |
170 |
LVCMOSx2 |
±20; ±25; ±50 |
–40…125 |
2,25 – 3,63 |
23 |
3 |
разрешение работы OE |
15 |
2,5×2,0 мм; 6- выводной корпус |
Для выбора МЭМС-осциллятора для каждого конкретного проекта Microchip предлагает онлайн-средство ClockWorks Configurator. С его помощью легко выбрать и сконфигурировать необходимую микросхему исходя из заданной частоты, размеров корпуса, диапазона рабочей температуры, а также заказать бесплатные образцы. Кроме того, предлагается комплект программатора TimeFlash 2. Он предназначен для программирования осциллятора «с чистого листа» и подключается к компьютеру через порт USB. С помощью этого комплекта можно не только программировать, но измерять частоту и энергопотребление осцилляторов.
Подписка: panovaid@yandex.ru