Los osciladores MEMS solucionan problemas de sincronización de precisión

Dondequiera que vaya estos días descubro más casos de la necesidad de una sincronización precisa. También estoy aprendiendo sobre varias soluciones increíblemente inteligentes que los ingenieros han ideado para abordar algunos problemas extremadamente complicados.

Consideremos, por ejemplo, las redes basadas en paquetes. Supongamos que tienes un reloj maestro en alguna parte. ¿Cómo se aseguraría de que los nodos remotos de menor rango tengan la hora correcta (es decir, la misma hora que el reloj maestro) simplemente enviando paquetes de un lado a otro a través de la red? Antes de responder, permítame recordarle que cada paquete puede tomar una ruta diferente a través de la red, dependiendo del estado actual de cualquier otro tráfico de la red. Todo lo que puedo decir es que el Protocolo de tiempo de red (NTP), que se introdujo alrededor de 1985 y puede lograr una precisión de milisegundos, y el Protocolo de tiempo de precisión (PTP), que se introdujo alrededor de 2002 y puede lograr una precisión de menos de microsegundos, son increíblemente astutos. soluciones a un problema increíblemente complejo.

La mayoría de la gente normalmente no considera que los automóviles y las redes basadas en paquetes estén relacionados, pero tienen más en común de lo que podría pensar. Por ejemplo, los automóviles actuales pueden emplear redes basadas en paquetes para transportar datos entre los propios vehículos, además pueden estar conectados al mundo exterior a través de redes celulares 4G o 5G, que a su vez están basadas en paquetes. Y, sólo para reír y sonreír, los dispositivos de sistema en chip (SoC) dentro de los automóviles pueden emplear una o más redes basadas en paquetes de red en chip (NoC) para comunicar datos entre funciones IP dentro de los dispositivos (por ejemplo , creo que FlexNoc Interconnect IP de Arteris se puede encontrar en el 70% de los SoC de automoción).

En realidad, aunque esto no fue intencional, las discusiones anteriores basadas en paquetes podrían resultar una especie de pista falsa (un hareng rouge, por así decirlo), porque no son particularmente pertinentes al núcleo de esta columna (puede ayudar pensar en estas deliberaciones como las divagaciones de una mente trastornada).

Lo que estaba intentando (y me temo que no logré) señalar es que los sistemas electrónicos están cambiando. Hoy en día, casi todos los dispositivos son inteligentes y casi todos los dispositivos están conectados. Para decirlo de otra manera, existe una demanda insaciable de conectividad, ancho de banda y baja latencia para los sistemas en tiempo real. La sincronización de precisión es el núcleo de todos los sistemas electrónicos inteligentes conectados, incluidos los automóviles, y los osciladores están en el centro de todas las soluciones de sincronización de precisión.

Por supuesto, existe una variedad de opciones de osciladores disponibles. Por ejemplo, un oscilador RC económico y alegre utiliza una resistencia y un condensador junto con un amplificador y retroalimentación positiva para generar una señal oscilante, pero la frecuencia de este tipo de oscilador puede variar significativamente debido a efectos ambientales como la temperatura. En el otro extremo del espectro están los relojes atómicos ópticos que utilizan las oscilaciones de los átomos para proporcionar una precisión y exactitud alucinantes. Por ejemplo, los últimos relojes de este tipo son tan precisos que, si hubieran existido en esa época y ceteris paribus (en igualdad de condiciones), no habrían perdido ni ganado ni un segundo desde que el universo comenzó a existir hace unos 13.700 millones de años. hace (no es que yo estuviera allí, entiendes, pero mi madre me lo contó todo cuando yo era un muchacho). Por supuesto, tener uno de estos relojes en su automóvil para proporcionar sincronización aumentaría un poco el precio de etiqueta. Otras alternativas incluyen... pero volveremos a ellas en un momento.

Las razones de mis cavilaciones son dos. Todo comenzó cuando leí y reflexioné sobre un blog sobre las cuatro megatendencias en la industria automotriz escrito por Etienne Winkelmuller en el sitio web de SiTime. En caso de que se lo pregunte, estas tendencias son la electrificación (revolucionando la tecnología de transmisión), el uso compartido de automóviles (necesidades de confiabilidad de la conducción), la seguridad (de pasiva a activa) y la automatización de la conducción (gestión de la explosión de datos). Esto me llevó a conversar con Piyush Sevalia, vicepresidente ejecutivo de marketing de SiTime.

Dado que el mercado automotriz es tan grande y variado, puede ser difícil obtener números absolutos para ciertas cosas, pero SiTime cree que los vehículos empleaban alrededor de 20 elementos de sincronización alrededor de 2018. Al momento de escribir este artículo, SiTime cree que este número ha aumentado. hasta 60 elementos de sincronización por automóvil y, para 2026, SiTime espera que este número aumente a 100 o más.

Pero, ¿cuál es la tecnología de oscilador subyacente que se utiliza para alimentar estos elementos de sincronización? Me alegra que hayas preguntado. Hasta hace relativamente poco, la tecnología preferida era el oscilador de cristal, que es un circuito oscilador electrónico que utiliza un cristal piezoeléctrico como elemento selectivo de frecuencia.

El primer oscilador controlado por cristal, que utilizó un cristal de sal de Rochelle, fue construido en 1917 y patentado en 1918 por Alexander M. Nicholson en Bell Telephone Laboratories. Hoy en día, el tipo más común de resonador piezoeléctrico utilizado es un cristal de cuarzo. El término "xtal" es la abreviatura de "cristal", razón por la cual los osciladores de cristal estándar emplean el apodo de XO.

Una forma común de categorizar los osciladores se basa en su estabilidad sobre la temperatura. Esto se debe a que, durante mucho tiempo, el principal factor de estrés externo para los osciladores de mayor volumen fue la temperatura. Por lo tanto, el siguiente en la jerarquía de precisión encontramos el XO con compensación de temperatura (TCXO), que está diseñado específicamente para manejar grandes variaciones de temperatura. Y luego tenemos las versiones XO (OCXO) controladas por horno. Se basan en un pequeño horno que contiene el resonador de cuarzo y los circuitos asociados. Si bien la temperatura ambiente externa puede variar por todas partes, el horno mantiene la temperatura del oscilador dentro de 1°C de la temperatura de funcionamiento ideal de su cristal.

Puedes adquirir un XO normal por menos de un dólar, mientras que un TCXO puede ser tuyo por sólo un par de dólares. ¿Qué pasa con un dispositivo OCXO? Bueno, déjame decirlo de esta manera: si tienes que pedirlo, entonces no puedes permitírtelo. En serio, un OCXO de gama baja puede costar $50, y fácilmente puedes terminar pagando $100 o más, con osciladores de ultra alta estabilidad y ultra alta confiabilidad que cuestan alrededor de $1,000 en la gama alta. Incluso suponiendo el precio más bajo. Si compra al por mayor, tener 100 OCXO en un automóvil agregaría $50 x 100 = $5000 al precio base del automóvil. Ahora sé de dónde viene el término "impacto por las pegatinas".

Piyush me dijo que, hoy en día, la estabilidad implica mucho más que simplemente la estabilidad sobre la temperatura; Además, hay muchas especificaciones de reloj que son importantes además de la estabilidad. Entre ellos, los principales son el ruido de fase (para RF), la fluctuación (para líneas fijas) y la desviación de Allan para GPS (entre otras aplicaciones).

En términos de estabilidad, algunos de los factores importantes son la pendiente frecuencia-sobretemperatura (dF/dT), que describe cómo cambia la frecuencia debido a las fluctuaciones de temperatura, y el envejecimiento (es decir, el cambio en la estabilidad con el tiempo). Estos también son cruciales en nuevas características como la sincronización horaria y el modo libre, que se están adoptando en aplicaciones de infraestructura central y perimetral, automotrices e industriales.

Un punto muy interesante que propone Piyush es: “Ahora estamos en la era de la electrónica inteligente y conectada. Queremos que nuestros dispositivos electrónicos estén siempre conectados con un gran ancho de banda y baja latencia para que podamos consumir diversos servicios en tiempo real. Por ejemplo, ADAS en automóviles, nubosidad, inteligencia artificial, etc. Esto está llevando al despliegue de infraestructura en condiciones no prístinas, como estacionamientos, estadios, postes de electricidad en vecindarios, etc. Atrás quedaron los días de las impecables centrales con aire acondicionado. entorno de oficina o terminal remota. En las condiciones de implementación actuales, el equipo puede verse afectado por algo más que cambios de temperatura; por ejemplo, golpes, vibraciones, flujo de aire y humedad, que son factores estresantes ambientales, así como ruido del suministro de energía eléctrica y EMI. Todos estos factores estresantes pueden afectar cualquiera de los parámetros de tiempo anteriores”.

Todo esto suena bastante espantoso. Afortunadamente, las cosas no son tan malas como parecen, porque los inteligentes tipos de SiTime ofrecen soluciones de sincronización de precisión basadas en tecnología MEMS de silicio resistente y confiable. Estas soluciones están diseñadas para funcionar en condiciones extremas y proporcionar el rendimiento sólido y la estabilidad del sistema necesarios en entornos hostiles.

Veamos algunos ejemplos que comparan las soluciones MEMS de SiTime con sus contrapartes tradicionales de cristal. Comenzaremos con el hecho de que, para algunas aplicaciones como GPS, la pendiente de frecuencia sobre temperatura (dF/dT) es mucho más importante que el valor de frecuencia sobre temperatura, donde dF/dT se especifica en unidades de ppb. /°C. Las velocidades de rampa de temperatura suelen ser de 0,5 °C/min o 1 °C/min, aunque pueden llegar hasta 5 °C/min para sistemas implementados en entornos hostiles. El siguiente gráfico muestra una comparación del rendimiento dF/dT para un TCXO MEMS SiTime frente a una variedad de TCXO de cuarzo disponibles en el mercado abierto. Esto muestra que no existe correlación entre el valor nominal de frecuencia sobre temperatura de los dispositivos de cuarzo y su pendiente de frecuencia sobre temperatura.

Comparación del rendimiento dF/dT (Fuente: SiTime)

La desviación de Allan (ADEV), también conocida como estabilidad de frecuencia a corto plazo, es la medida de la estabilidad del oscilador en el dominio del tiempo. ADEV se utiliza para osciladores porque converge para más tipos de ruido de oscilador en comparación con la desviación estándar. El siguiente gráfico de ADEV compara un MEMS TCXO (un Elite Super-TCXO) con el mejor TCXO de cuarzo de ±50 ppb de su clase bajo flujo de aire utilizando un ventilador de refrigeración estándar empleado en muchos sistemas basados ​​en CPU. Como vemos, casi no hay impacto en el SiTime MEMS Super-TCXO, pero sí una degradación del rendimiento de hasta 38 veces respecto al TCXO de cuarzo.

Comparación del rendimiento de ADEV (Fuente: SiTime)

Ahora dirijamos nuestra atención a la influencia del jitter (la desviación de la verdadera periodicidad de una señal supuestamente periódica) en los sistemas de comunicación; por ejemplo, transferencia de datos inalámbrica (como 5G) o por cable (Ethernet). Los vehículos modernos, en particular los que cuentan con asistencia al conductor (ADAS) o conducción automatizada, dependen en gran medida de la transferencia de datos. Sus múltiples cámaras, radares, LiDAR y otros sensores generan hasta 20 TB por hora de datos, que deben transferirse a una computadora ADAS central para su procesamiento. La sincronización precisa es esencial cuando se trata de transmitir señales entre los sensores y la computadora ADAS. La fluctuación puede provocar errores en los datos, por lo que es esencial mantenerla lo más baja posible. Piyush señala que, gracias a su avanzada tecnología MEMS y PLL, los dispositivos de SiTime están a la vanguardia del rendimiento en este sentido.

Pero espera, hay más, porque las vibraciones físicas se acoplan fácilmente mecánicamente formando cristales. Al final de la cadena, esto se traduce en una mayor fluctuación del reloj (para la transferencia de datos por cable) o un peor ruido de fase (para la transferencia de datos por RF). Piyush comenta: “Hemos visto casos en los que algo tan mundano como el funcionamiento de un ventilador fue suficiente para llevar la tasa de error de un enlace de datos, impulsado por tecnología de cuarzo, a niveles inaceptables. La tecnología de sincronización MEMS previene estos problemas en los sistemas debido a la construcción de los resonadores MEMS, su tamaño más pequeño y su material más robusto que el cuarzo, lo que significa que los dispositivos SiTime son prácticamente inmunes a los efectos de la vibración”.

El siguiente gráfico muestra el ruido de fase de un oscilador MEMS en comparación con el mejor oscilador de cuarzo de su clase cuando se somete a vibración. La magnitud de la vibración aleatoria fue de 7,5 g de raíz cuadrática media (RMS) en una banda de frecuencia de 15 Hz a 2 kHz. El ruido de fase en esta banda de frecuencia de vibración del oscilador MEMS es aproximadamente 10 veces menor que el del dispositivo de cuarzo. Este es un gran beneficio en aplicaciones automotrices que están constantemente expuestas a vibraciones o a sistemas de comunicaciones desplegados cerca de estaciones de tren, estaciones de metro, aeropuertos y otros lugares que experimentan vibraciones.

Comparación del ruido de fase causado por la vibración (Fuente: SiTime)

Una última consideración que es de gran importancia para las aplicaciones que exigen osciladores ultraestables es la del envejecimiento, que es causado por cambios internos dentro del oscilador que ocurren con el tiempo. Existen grandes diferencias en el rendimiento de envejecimiento entre los dispositivos MEMS y de cuarzo debido a las diferencias en su diseño estructural, procesos de fabricación y materiales utilizados. Los resonadores MEMS emplean materiales de silicio estables sin propiedades de desgasificación. El proceso de fabricación de los resonadores SiTime MEMS no introduce contaminantes como los que se introducen durante el aserrado y pulido de los resonadores de cuarzo. El siguiente gráfico muestra el envejecimiento acelerado de 30 días de los osciladores de nivel Stratum 3E basados ​​en tecnologías MEMS y cuarzo.

Comparación del envejecimiento acelerado (Fuente: SiTime)

Para ser honesto, quedé muy impresionado con todo lo que había oído sobre el oscilador MEMS y las soluciones de temporización de SiTime, y este habría sido un excelente punto de parada para esta columna, por lo que es mi culpa por preguntarle a Piyush si había algo más que quisiera. digamos, porque respiró hondo y respondió lo siguiente:

Hasta ahora, hemos analizado los beneficios de MEMS sobre el cuarzo en términos del alcance más amplio de la sincronización de precisión. La tecnología MEMS de SiTime tiene muchos beneficios adicionales que van mucho más allá de los parámetros de sincronización que puede encontrar en una hoja de datos.

Por ejemplo, SiTime MEMS es entre 30 y 50 veces más confiable que los productos osciladores basados ​​en cuarzo, y esto se debe a su construcción. El material MEMS tiene una mayor resistencia a la tracción que el titanio, y al estar fabricado en una sala limpia de semiconductores y sellado al vacío, prácticamente no hay posibilidad de que alguna impureza lo afecte. Tradicionalmente, el cuarzo ha sido uno de los eslabones débiles de la electrónica y una fuente común de fallas electrónicas. SiTime MEMS, con su alta confiabilidad, cambia las reglas del juego en este aspecto, especialmente si se consideran los requisitos de seguridad funcional asociados con los automóviles actuales.

La gran mayoría de los productos automotrices de SiTime están calificados en un amplio rango de temperaturas, de –40 a 125 °C, y cada producto automotriz está calificado según el estándar AEC-Q100. Esto es bastante diferente de muchos productos osciladores basados ​​en cuarzo que existen, que sólo cumplen con el estándar menos estricto AEC-Q200 para dispositivos pasivos (aunque tienen circuitos activos) y, a menudo, solo funcionan hasta 105°C. Esta diferencia de 20°C puede tener un gran impacto en la aplicación. Los sistemas de computación y comunicación de alto rendimiento generan calor, y los ingenieros invierten una gran cantidad de costos de material y esfuerzo de ingeniería en gestionar este calor. Permitirles más flexibilidad para dejar que el sistema alcance una temperatura más alta es un gran beneficio.

SiTime diseña internamente el resonador MEMS y el chip CMOS correspondiente, lo que nos permite personalizar mecanismos de diagnóstico sofisticados que siempre pueden detectar e informar el estado del reloj. Por lo tanto, los dispositivos SiTime no solo garantizan una tasa de fallas entre 30 y 50 veces menor, sino que también facilitan la vida de los diseñadores de sistemas al permitirles cumplir con sus requisitos de seguridad funcional con menos esfuerzo.

Finalmente, hablemos del enorme beneficio de la programabilidad. La mayoría de nuestros osciladores y generadores de reloj son completamente programables en una variedad de especificaciones. Por ejemplo, nuestros dispositivos son programables con hasta seis decimales de precisión. El voltaje de funcionamiento también es programable. La potencia de la unidad de salida LVCMOS es programable para permitir al ingeniero minimizar los reflejos en las trazas haciendo coincidir la impedancia de salida del dispositivo con la impedancia de la traza. En dispositivos de espectro ensanchado, el porcentaje de ensanchamiento (que conduce a la reducción de EMI) también es programable. Y, finalmente, tenemos algunos osciladores que son programables a través de una interfaz serial para permitir al ingeniero configurar parámetros dentro del sistema.

La programabilidad es un gran beneficio para los diseñadores de sistemas, tanto durante la creación de prototipos como en la fabricación en masa. Podemos proporcionar a nuestros clientes un dispositivo de programación de escritorio y piezas de oscilador en blanco, lo que les permite probar diferentes frecuencias u otras características de salida en cuestión de minutos mientras modifican el rendimiento de su sistema. En la producción en volumen, esta programabilidad nos brinda una enorme ventaja de escala y nos permite mantener bajos los plazos de entrega. A diferencia del cuarzo, donde cada frecuencia es un corte especial y, por lo tanto, un proceso físico especial, SiTime puede utilizar un producto base común en todas las frecuencias y simplemente utilizar la programación de final de línea para cumplir con cualquier requisito. Esto también ahorra tiempo en la caracterización y calificación del sistema, ya que nuestros dispositivos solo necesitan calificarse una vez y no para cada frecuencia diferente.

Iba a bromear diciendo que lamentaba haber preguntado, pero en realidad no fue así porque aprendí mucho. Un punto que me llamó la atención fue cuando Piyush dijo que el material MEMS tiene mayor resistencia a la tracción que el titanio. "¿Puede ser eso cierto?" Pensé dentro de mí. Sí, ciertamente lo es. El término "resistencia a la tracción" se refiere a la carga máxima que un material puede soportar sin fracturarse cuando se estira dividida por el área de la sección transversal original del material. El material que utiliza la gente de SiTime para fabricar sus resonadores MEMS es silicio monocristalino, cuya resistencia a la tracción es de 7000 MPa, en comparación con la resistencia a la tracción del titanio de 370 Mpa.

Te digo; Aprendo algo nuevo cada día. ¿Y tú? ¿Ha descubierto alguna pepita de conocimiento o curiosidades en esta columna que no conocía anteriormente?