MEMS

新产品可延长电池寿命,并降低家中耗能设备的功耗

全球领先的压电传感器MEMS供应商Vesper今天宣布推出VM3011,这是业界第一款采用自适应零功率听觉(Adaptive ZeroPower Listening™)技术的智能数字麦克风,它采用一种突破坏性的节能架构,可将电池待机寿命扩展10倍,但同时具有同类产品的最佳声学性能。VM3011的推出进一步扩大了Vesper在低功率始终开启听觉设备市场中的技术领导地位。

VM3011基于Vesper的专利压电MEMS传感器技术,在质量和性能方面处于业界领先地位,它的发布扩展了Vesper业已成功的产品系列。Adaptive ZeroPower Listening™技术能够自动地了解环境的实时声学特性,使系统可以忽略背景噪声,仅在响应关键字或满足其他所需声学触发条件时才会唤醒设备,从而使系统可以在90%的时间内保持休眠,能够延长电池寿命超过 10倍。

Vesper首席执行官Matt Crowley表示:“现有的始终开启听觉系统必须连续运行,需要将其插入电源插座。VM3011创造了一个全新的使用环境,这些系统现在可以依靠电池供电持续运行数月或数年。这项技术将可用于一类全新产品的设计,例如始终开启的远距离电视遥控器、始终开启的智能手表、家庭安全监控摄像头和门铃以及许多其他系统,并能够延长电池使用寿命。Vesper已经开始与一些重要客户合作,计划在今年晚些时候推出基于VM3011的产品。”

VM3011的目标应用包括物联网产品、便携式智能扬声器、智能手表、远距离遥控、安全监控摄像机、玻璃破碎传感器、汽车、医疗设备和其他电池供电系统。

请收看自适应零功率收听视频

环境耐用性:VM3011具有内在的IP57异物防护等级,适合在环境苛刻的应用中运行。麦克风不需要任何外部保护网,这不仅可以节省设备制造商的成本,而且可以提高终端应用产品的声学性能。VM3011的灰尘和水测试都是按照最高标准进行,将产品完全浸入水中,并经过广泛的灰尘/恶劣环境测试后,Vesper是唯一一家达到零故障率的麦克风公司。

更多信息

VM3011采用小巧的3.76 mm X 2.95 mm X 1.3 mm业界标准封装,兼容回流焊锡,但不会降低灵敏度。VM3011将在2020年第四季度投入量产。欲了解更多信息,请发送电子邮件至:info@vespermems.com

关于Vesper

Vesper专有的压电MEMS技术已经构建了市场上最可靠、最先进的MEMS麦克风。相对于过去十多年在市场上占据主导地位的电容式MEMS麦克风,Vesper屡获殊荣的MEMS麦克风是一项重大技术飞跃。借助于Adaptive Zeropower Listening™技术,Vesper能够将设备电池使用寿命延长10倍,并具有同类产品领先的声学性能。在这个语音界面广泛流行的新时代,Vesper能够帮助与远程控制、真正无线立体声(TWS)耳机、智能手机、智能手表、便携式智能扬声器、安全监控设备等数字设备实现自然的语音接口。

Vesper凭借最低的功耗和最高的声学性能而引领业界。

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意法半导体LIS2DTW12单片集成MEMS 3轴加速度计和温度传感器,目标应用包括空间受限和电池敏感的探测器,例如,货物跟踪器、穿戴设备和物联网端点。温度传感器具有0.8°C的测量准确度,同时精确度也媲美独立的标准温度传感器。

除强化的温度补偿功能和温度传感器优异的准确度外,加速度计还提供65种不同的用户模式,让开发人员能够灵活地优化功耗和噪声,满足特定的应用要求。用户可选择加速度计满量程范围,最大量程±16g,数据输出速率1.6Hz至1600Hz。

LIS2DTW12的封装厚度仅为0.7mm,比其它厂商的多合一传感器薄约30%,腾出的空间可容纳容量更大的电池,延长设备的运行时间。多种省电功能可进一步延长电池续航时间,其中,关断模式功耗为50nA,其它工作模式小于1µA。内部专用引擎用于处理加速度计信号,大容量32级FIFO减少主控制器的干预。

LIS2DTW12通过高速I2C / SPI端口输出16位加速度计数据和12位温度数据,并支持按需进行单数据转换。运动引擎执行自由落体和唤醒检测、单击/双击识别、活动/不活动检测、静止/运动检测、竖屏/横屏检测,以及6D/4D方向检测。内部先进的自检功能可以检查传感器是否正常工作。

LIS2DTW12的额定工作温度是-40°C至+ 85°C,采用2.0mm x 2.0mm x 0.7mm LGA-12超薄塑料LGA封装。

LIS2DTW12的专用适配器板STEVAL-MKI190V1通过STEVAL-MKI109V3微控制器主板连接到PC机,可在Unico GUI或用户的软件中查看传感器数据。

详情访问 http://www.st.com/lis2dtw12-pr 。或通过 https://blog.st.com/lis2dtw12-accelerometer-thermometer/ 阅读相关博文。

围观 98

灵活的解决方案覆盖宽频率范围,无需外部晶振

随着消费者对紧凑型物联网(IoT)和便携式电子设备的需求加速,产品设计师需要找到降低应用大小同时延长电池寿命的解决方案。时序器件是这类产品运行的关键,但时钟源通常需要多个组件来满足消费类电子设备的频率要求,导致较高的电路板空间占用和功耗。为了解决这些设计问题,Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)推出业内最小的MEMS时钟发生器,这款新器件可以替代电路板上的多达三个晶体和振荡器,将时序组件的电路板空间最高缩小80%。DSC613时钟系列通过集成低功耗和高稳定性微机电系统(MEMS)谐振器,消除了对外部晶振的需求。

为了满足如今智能设备的频率范围要求,系统设计师需要在电路板上的控制器旁放置多个晶体/振荡器,或者使用通过外部晶振提供参考输入的时钟发生器。DSC613系列是真正的单芯片解决方案,它将一个MEMS谐振器和两个低功率锁相环(PLL)集成到封装尺寸低至1.6 mm x 1.2 mm的6引脚DFN中。紧凑的封装尺寸和广泛的频率灵活性让DSC613系列非常适合要求低功率运行的小型设备,例如数码相机、智能扬声器、虚拟现实(VR)头盔、流媒体播放棒和机顶盒。

DSC613系列支持最多三个时钟输出,频率范围支持2千赫兹(kHz)到100兆赫兹(MHz),这使之成为基于单片机的嵌入式系统的理想选择。例如在物联网应用中,时钟发生器可用于为单片机(MCU)提供MHz主参考时钟和32.768 kHz实时时钟(RTC),同时为连接和传感器等功能组件提供其他MHz时钟。DSC163系列包括两个采用AnyRate®时钟合成器的低功率小数PLL,这使其能够生成从2 kHz到100 MHz的任意频率。该系列提供三路输出,功耗只有大约5毫安(mA),与使用三个低功率石英振荡器的解决方案相比,可以节省高达45%的功耗。为了进一步降低能耗,可以通过输出使能引脚关闭时钟输出。

Microchip时序和通信业务部副总裁Rami Kanama表示:“Microchip是唯一的一站式时序服务供应商,我们提供网络同步、时钟发生和缓冲,以及MEMS、晶振和基于SAW的振荡器,频率范围从kHz到GHz。DSC613时钟发生系列是对我们品种已十分丰富的MEMS时序产品的最新补充,它为基于MCU的系统提供真正的单芯片时序解决方案,这使之成为Microchip的MCU和MPU器件的绝佳时钟搭档。”

MEMS产品完全按照标准的半导体流程打造而成,可以提供与集成电路相同的可靠性和稳定性,该器件可以在-40到+125摄氏度的温度下运行,稳定性高达± 20 ppm。所有产品均采用Microchip以客户为导向的淘汰规则,只要客户需要就会保持供货。

开发工具

DSC613 系列受Microchip的ClockWorks®在线配置工具支持。客户输入时钟配置即可得到自定义的器件编号和数据手册,并可以通过 clockworks.microchip.com/timing 免费订购样片。

时钟配置包括输出频率、控制引脚功能、封装尺寸、PPM精度和温度范围。根据定制的电路板承载条件,最多提供三级输出驱动强度,同时提供扩频时钟降低电磁干扰,以及电路板布局指南和原理图审查等应用支持。

供货

DSC613系列已开始提供样片和投入量产。欲了解价格和其他更多信息,请联系Microchip销售代表或全球授权分销商,也可访问Microchip官网。欲购买文中提及产品,可登录Microchip在线采购平台(http://www.microchipdirect.com/)或联系Microchip授权分销伙伴。

围观 422

近年来,在IoT和可穿戴等领域,市场对所用的电子设备小型化、长时间运转的要求越来越高,相应的,构成电子设备的电子元器件也被要求更加小型化和省电。尤其是谐振器,在众多的电子元器件中,低功耗谐振器的需求更急切,以期持续恒定工作,使设备能正常发挥功能。

作为全球知名的电子元器件制造商,村田制作所(以下简称“村田”)充分利用已被汽车等行业采用的Murata Electronics Oy(原VTI Technologies)的MEMS技术,研发出了有助于IoT设备和可穿戴设备等的小型化和低功耗的超小32.768kHz*1 MEMS*2谐振器*3,实现了比现有小型产品*4更小50%以上、低ESR*5特性、出色的频率精度和低功耗。村田计划将该产品作为MEMS谐振器“WMRAG系列”,于2018年12月份开始量产。

村田通过MEMS技术使该产品达到了小型化,并实现了与晶体谐振器相同的初始频率精度(±20ppm)以上的频率温度特性(160ppm以下)(工作环境:-30〜85℃)。此外,该产品还具有以下特点:

1、比传统产品尺寸缩小50%以上

村田超小32.768kHz MEMS谐振器尺寸为0.9✕0.6✕0.3mm(宽×长×高),比传统的32.768k kHz晶体谐振器更小了50% 以上。

2、器件内置静电电容

生成基准时钟信号的电路需要2个多层陶瓷电容,而村田超小32.768kHz MEMS谐振器已内置6.9pF静电电容。因此,在贴装时能大幅减少空间,使电路设计的自由度更大。

3、通过实现低ESR,降低功耗

普通晶体谐振器存在尺寸越小ESR越高的困扰,而根据村田的测定结果,本次研发的超小32.768kHz MEMS谐振器产品通过低ESR(75kΩ)化,降低了半导体集成电路的增益,从而生成稳定的基准时钟信号,实现低功耗(比传统产品减少13%)。

4、能内置于半导体集成电路的封装内

通过使用硅材料的WL-CSP(Wafer-Level Chip Scale Packaging)封装,村田超小32.768kHz MEMS谐振器能内置于同质半导体集成电路进行封装。

作为电子行业的创新者,村田不断磨砺精湛技术,为智能社会供应独特产品。本次推出的超小32.768kHz MEMS谐振器也将凭借其出色性能,为IoT设备和可穿戴设备等的小型化和低功耗做出贡献。

注:

*1数字电子电路容易达到1秒的高精度,故而被用作钟表和半导体集成电路驱动用基准时钟信号。

*2是微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems),使用半导体制造工艺技术,具有3次元精细结构。

*3是产生半导体集成电路工作时的基准时钟信号的无源器件。其稳定工作必须有由出色的谐振器产生的高精度、高稳定的信号。

*4比较尺寸是与1.2✕1.0✕0.3mm(宽×长×高)的同等产品相比较。(2018年10月份时)

*5指等效串联电阻(Equivalent Series Resistance)。该值越小越容易生成稳定的时钟信号。

围观 345

意法半导体( STMicroelectronics ,简称 ST ;纽约证券交易所代码: STM ) 推出可视化的 Profi MEMS Tool 开发平台,方便工程师 查看MEMS 传感器的工作状态,加快产品上市时间,并最大限度提高新产品设计的性能。

Profi MEMS Tool 主板搭载高性能 STM32F401 微控制器和灵活的电源管理芯片,可为传感器供电,并取得传感器的输出数据,再转发到 PC 主机上的开发者 GUI (图形用户界面)软件。 用户可以使用意法半导体的免费的UNICO GUI软件(可自st.com下载)或选用其他工具来分析 MEMS传感器波形。

Profi MEMS Tool 不局限于连接传感器和 GUI ,还能让用户探索传感器的全部工作模式和功率设置,同时优化传感器的性能和精确度。 该主板具充足的运算能力,能够处理复杂的数据集,例如,意法半导体先进6轴惯性模块输出的OIS / EIS(光学或电子防抖)数据, 以及简单的传感器读数,例如,气压表、加速计或陀螺仪数据。 该主板还有丰富的功能,能够评测最新一代高分辨率工业级MEMS传感器,例如,意法半导体最近推出具16位加速度计输出和 12位温度输出的IIS3DHHC 三轴低噪加速度计。

在开启项目前,用户先将目标传感器模块插入主板上的扩充排针上。 软件可调整电源电路,让传感器电源电压灵活地设定在0V到3.6V范围内,再现目标应用的可能出现的工作状况。 此外,主板还为用户提供准确的电源监测功能,而无需连接外部仪器即可检测传感器的电源电压和电流,进而简化连网产品、智能传感器、移动机器人或无人机控制器等注重功耗的项目开发。

详情请浏览: www.st.com/profiMEMS-PR

围观 347

作者: Maurizio Gavardoni Microchip Technology Inc.

摘要

对于半导体行业的系统设计人员而言,电磁干扰(Electromagnetic interference, EMI)始终都是一大挑战。在当今的系统设计中,电子元器件布局密集紧凑,处理器速度和数据速率超过以往任何时候,因而这种挑战变得更为严峻。系统时钟是产生 EMI 的主要因素。

MEMS 振荡器已得到了非常广泛的使用,并在很多需要生成时钟的应用中稳步取代晶体振荡器。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有显著的优势,其中之一就是它们能够灵活地进行编程和配置。

本文将重点描述如何利用MEMS振荡器的可编程特性来帮助减少 EMI。

简介

时钟发生器是系统中产生 EMI 的主要因素。方波时钟信号的频谱包括基频以及大量奇次谐波,具有很大的能量。时钟变化越急剧,谐波的能量就越大,产生的 EMI也越高。

减少 EMI 的传统方法包括精心布线、滤波和屏蔽。所有这些方法都会增加成本,占用更多电路板空间。

MEMS 振荡器已被广泛用于生成时钟,并在很多应用中稳步取代晶体振荡器,包括消费、工业和汽车应用以及部分网络和电信应用。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有显著的优势。

主要优势之一是 MEMS 振荡器可灵活选择并编程多种参数。其中一个参数是输出驱动强度,该强度与时钟信号的上升和下降时间相关。通过延长上升和下降时间可以减少时钟的谐波能量,从而降低 EMI,因为辐射的能量与谐波的能量相关。另一个可编程的特性是展频,该功能将随时间对时钟频率进行调制,基频及其谐波的频谱能量峰值将会降低。

以下将更加详细地介绍如何利用 MEMS 振荡器的上升和下降时间的可编程特性及展频功能来减少 EMI。

请参见 “MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力”以了解MEMS振荡器相对于传统晶体振荡器的重要优势。

可编程的上升 / 下降时间

有些 Microchip MEMS 振荡器系列 (例如 DSC11xx 和DSC2010)可对 CMOS 输出缓冲器的驱动强度进行编程,这会影响输出信号的上升和下降时间。DSC2010 提供三路输入(OS0、OS1 和 OS2),可使能八种驱动强度中的一种。 DSC1101 在出厂前已编程为使用最高驱动强度, DSC1105 则编程为使用最低驱动强度。

当应用需要快速的上升/下降时间或器件需要驱动很高的容性负载时,高驱动强度是有利的。它还有助于减少电源噪声对时钟抖动的影响。

在表 1 中,最低的驱动强度对应于最慢的上升 / 下降时间。在这种条件下,时钟信号具有最平滑的边沿和最低的谐波能量,因而能够最大程度地减少 EMI。

图 1 显示当输出缓冲器的驱动强度减小时谐波的衰减曲线。

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图1:MEMS 振荡器在八种驱动强度下的基频和谐波功率

表 1: 八种驱动强度的上升 / 下降时间(15 PF负载)
MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力

展频

展频是一种随时间对时钟频率进行缓慢调制的功能。MEMS 谐振器内部的 PLL 采用 33 kHz 的三角波进行调制。在如此缓慢的调制速度下,基频和所有谐波的频谱能量峰值分布在更广的频率范围内。能量因此显著减少,从而也减少了 EMI。选择三角波的原因是它具备均匀分布的频谱密度。

Microchip 的 MEMS 振荡器系列 DSC63xx 提供多个调制选项。展频可能是相对于时钟频率的中心展频或向下展频。中心展频的范围为 ±0.25% 至 ±2.5%,而向下展频的范围为 –0.25% 至 –3%。

如果时钟频率为 100 MHz 并选择 ±1% 的中心展频,则输出时钟的范围为 99 MHz 至 101 MHz。如果选择 –2%的向下展频,则输出时钟的范围为98 MHz至100 MHz。

图 2 和图 3 显示了 DSC6331 的频谱示例,时钟频率为33.333 MHz,采用 ±1% 的中心展频进行调制。

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图 2:调制关闭时 DSC6331 在33.333 MHz 频率下的频谱

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图 3:调制打开时 DSC6331 在33.333 MHz 频率下的频谱

可以看到,展频将峰值功率降低了大约 10 dB。也可使用以下公式估算这一降幅:

公式 1:

EMIReduction = 10 × Log10( ) S fc RBW × ⁄
其中:
S   展频百分比峰 - 峰值 (在本例中为 1%)。
fc   载波频率 (在本例中为 33.333 MHz)。
RBW   频谱分析仪的分辨率带宽 (在本例中为30 kHz)。

本例的理论计算结果等于 10.45 dB,与测量结果一致。与基频类似,所有谐波也以相同的方式展频和衰减。

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图 4: 展频禁用时的 DSC6331

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图 5: 展频启用时的 DSC6331,中心展频为 ±2.5%

图 6 显示当选择不同类型的调制时 DSC6331 的33.333 MHz 基频和奇次谐波的衰减曲线。为清晰起见,图 6 仅显示中心展频选项。但是,相应百分比的向下展频也可提供相同水平的谐波衰减(例如,±1% 的中心展频可提供与 –2% 的向下展频相同的谐波衰减)。

MEMS 振荡器的 EMI 抑制能力
图 6: DSC6331使用不同展频选项时的谐波功率

结论

EMI 是现代电子设计领域的一大严峻挑战,而时钟发生器是产生 EMI 的主要因素之一。MEMS 振荡器具有灵活和可编程的优势。这些振荡器提供两种重要的可编程特性,帮助减少时钟产生的 EMI。第一种特性是可编程的上升 / 下降时间。更缓慢的上升 / 下降时间可减少与每个时钟信号的谐波相关的能量,这也意味着辐射能量 (EMI)的减少。第二种特性是时钟频率的缓慢调制,称为展频。这种特性也可显著减少与时钟谐波相关的能量。

这些MEMS振荡器的两种可编程特性不仅可减少EMI,还可简化 EMI 滤波和屏蔽设计,从而降低电路板成本并减少占用空间。

来源: Microchip

围观 435

作者: Maurizio Gavardoni Microchip Technology Inc

摘要

MEMS 振荡器已得到了非常广泛的使用,并在很多应用中稳步取代晶体振荡器。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有诸多显著的优势,例如提高了可靠性和对机械应力的抗力,以及在宽温度范围内保持平稳的性能。MEMS振荡器还具备一定的灵活性,可通过编程和配置生成多个输出时钟。

简介

在过去的数十年,每当有应用需要稳定的低抖动时钟源时,我们都会使用晶体振荡器。

近年来出现了一种使用MEMS来构建谐振器的新技术。MEMS 振荡器与晶体振荡器相比具有一些显著的优势。首先,它们能够抵御机械冲击、振动、挠曲和坠落,因而非常坚固和可靠,这要归功于其封装结构对谐振器形成了一种自然保护。第二,MEMS 谐振器具有伪线性温度系数,因而易于补偿;这可确保谐振器整个温度范围(最高可超过 +125°C)内保持稳定的时钟频率 (意味着低 ppm)。

显而易见,这两种特性让MEMS振荡器非常适合一些环境恶劣的工业和汽车应用。

此外, MEMS 的结构非常紧凑,因而可生产小尺寸封装的振荡器,最小尺寸为 1.6 mm x 1.2 mm。

MEMS 谐振器工作在固定频率,频率非常稳定,但无法进行编程。因此,始终需要使用 PLL 来生成可编程的输出频率。虽然这样可能产生比晶体振荡器更高的相位噪声,但 PLL 在生成宽范围频率方面具有灵活性优势,并且能够在同一器件中提供多个输出时钟。可在同一个PLL 中生成大量时钟,或将多个 PLL 放置在同一个器件中以生成完全独立的输出。因此,MEMS 振荡器可灵活选择并编程多种参数。此特性的另一个例子是此类振荡器能够对与时钟信号的上升和下降时间相关的输出驱动强度进行编程。在对 EMI 敏感的应用中,可通过编程延长上升和下降时间。

MEMS 振荡器已得到了非常广泛的使用,并在很多应用中稳步取代晶体振荡器,包括消费、工业和汽车应用以及部分网络和电信应用。

以下章节将更详细地介绍MEMS振荡器对各类机械应力的抗力。

抗坠落测试

测试所采用的方式是将 MEMS 振荡器放置在 PCB 上,另外增加 200 克重量,让系统从 180 厘米的高度坠落到混凝土表面上。在两次坠落的间隔期间,我们都使用高分辨率的频率计数器对振荡器输出时钟进行三分钟的测量,以检查这段时间内的时钟稳定性。测量结果如图 1所示,该图通过与已测量的初始频率值进行对比来显示器件的频率偏差。

MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力
图1:10 次坠落前后的输出时钟稳定性(与初始频率值进行对比)

MEMS 振荡器输出时钟的偏差小于 3 ppm 的最大值,这一数据突显出 MEMS 振荡器在承受诸如反复坠落到混凝土等硬表面所造成的机械冲击时仍可保持良好的稳健性和弹性。

抗机械挠曲测试

我们还开展了进一步的测试,先将 MEMS 振荡器放在5 cm x 5 cm 的 PCB 上,再将 PCB 的一端固定,同时使用机械力弯曲另一端。MEMS 振荡器的位置与被弯曲一端的距离为 1.5 厘米。PCB 的挠曲半径分别为 3 mm和 6 mm,我们使用高分辨率的频率计数器在挠曲前后和期间对MEMS振荡器的输出时钟进行三分钟的测量。测量结果如图 2 所示,该图通过与已测量的初始频率值进行对比显示器件的稳定性。

MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力
图 2:PCB 弯曲前后和期间的输出时钟稳定性 (与初始频率值进行对比)

MEMS 振荡器的输出时钟的偏差小于 2 ppm 的最大值,这一数据突显出 MEMS 振荡器在承受诸如 PCB 挠曲所造成的机械应力时仍可保持良好的稳健性和弹性。

抗机械冲击测试

我们还根据军用和航空航天标准 MIL-STD-883 提供的指导准则,对 MEMS 振荡器进行了机械冲击测试。这次机械冲击测试遵循 Method 2002 的测试条件 E 中的规定:器件承受五次高达 10,000g 的冲击脉冲,每次持续 0.2 毫秒。

测量结果显示在图 3 中,该图将频率偏差(ppm)与冲击测试前的初始频率值进行对比。假设计算得出的最小值和最大值在 ±3 sigma 的范围内 (99.73%),可以看到最大频率偏差仅为 3.85 ppm。

MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力
图 3:在机械冲击测试 MIL-STD-883,Method 2002 之后的输出时钟稳定性柱状图

抗机械振动测试

我们根据军用和航空航天标准MIL-STD-883提供的指导准则,对 MEMS 振荡器进行了机械振动测试。这次机械振动测试遵循 Method 2007 的测试条件 C 中的规定:在充分保护连接线的前提下将器件刚性固定在振动平台上。器件以简谐运动方式振动,峰值加速度为 70g。振动频率在 20 Hz 至 2,000 Hz 之间按对数变化,持续四分钟。该测试在 X 轴、 Y 轴和 Z 轴方向上各重复 4 次(总计 12 次),总时间为 48 分钟。

测量结果显示在图 4 中,该图将频率偏差(ppm)与振动测试前的初始频率值进行对比。假设计算得出的最小值和最大值在 ±3 sigma 的范围内 (99.73%),可以看到最大频率偏差仅为 5.23 ppm。

MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力
图 4:在机械振动测试 MIL-STD-883,Method 2007 之后的输出时钟稳定性柱状图

冲击和振动前后的稳定性

下面的图 5 显示了机械冲击和振动测试前后的三个样本的频率稳定性,这些测试已在前两节中详述,测试结果如图 3 和图 4 所示。

MEMS 振荡器对机械应力的抵抗能力
图 5:在 25°C 温度下,冲击和振动测试前后的频率偏差

MEMS 振荡器的输出时钟偏差在 1.5 ppm 范围内,这再度突显出 MEMS 振荡器在承受诸如 MIL-STD-883 冲击和振动测试所产生的高机械应力时仍可保持良好的稳健性。

结论

MEMS 振荡器对坠落、挠曲、冲击或振动导致的机械应力具有很强的抵抗能力。这种抵抗能力增强了可靠性,使其非常适合在恶劣环境下使用,例如工业和汽车应用。凭借这种重要的特性以及其他一些优势 (例如宽温度范围下的平稳性、灵活性、可编程性以及小尺寸), MEMS 振荡器得到了非常广泛的使用,并在消费、工业、汽车和电信行业的很多应用中稳步取代晶体振荡器。

有关 Microchip MEMS 振荡器的更多信息,请访问: http://www.microchip.com/design-centers/clock-andtiming/oscillators

来源:microchip.com

围观 433

简介

数十年来,振荡器和时钟始终依靠石英晶体来产生稳定的参考频率。晶体在许多应用中表现出十分优异的性能。但十年前,使用MEMS谐振器代替石英晶振的微机电系统(Microelectromechanical System,MEMS)技术进入了市场,并迅速受到广泛的关注。

基于MEMS的时序器件兼具高可靠性、扩展工作温度、小体积和低功耗特性。

在2015年,Microchip通过收购Micrel获得了MEMS时序技术,而Micrel在此之前已收购Discera。Discera在2008年交付了第一批振荡器成品,迄今为止已制造并销售了近1亿个器件。

本文将介绍基于MEMS的振荡器和时钟的汽车应用以及MEMS解决方案的优势,并提供Microchip白皮书《采用微机电系统(MEMS)技术的Microchip振荡器和时钟》作为参考。

汽车应用

基于MEMS的振荡器和时钟有三种主要应用。如图1所示,这三种应用分别是高级驾驶员辅助系统(Advanced Driver Assistance System,ADAS)、用户界面(包括信息娱乐和连接系统)以及处理变速箱和发动机控制的智能执行器。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图1:汽车应用中的MEMS振荡器

高级驾驶员辅助系统

高级驾驶员辅助系统(ADAS)能够提供先进的碰撞风险警报、提醒驾驶员并可在某些情况下控制车辆,从而达到提高安全性的目的。该系统将采用包括物体识别和跟踪在内的计算机视觉技术,并在车身上配备摄像头、LiDAR系统和雷达等多种传感器。此外,还可通过无线电从其他车辆和连接互联网的数据源接收数据。

图2所示为ADAS LiDAR模块。FPGA提供信号生成和系统控制功能。FPGA产生的脉冲将被放大并发送到激光器。

Microchip高速ADC随后将检测接收到的反射光并将其数字化,然后数据将被发送到第二个FPGA图像处理器。处理器将进行检测并向车载网络发送碰撞警报。

DSC400 MEMS时钟可驱动高速ADC和FPGA处理器。DSC400是一款符合AEC-100标准并具有低相位噪声的四输出时钟,非常适合高速FPGA。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图2:ADAS LiDAR模块

图3展示了ADAS长距离雷达系统。DSP产生的脉冲波形在射频基带单元中被转换为调制信号,以驱动77 GHz发射器(RF TX)。反之,基带单元将解调77 GHz接收器(RF RX)接收到的脉冲并交由DSP处理。具有CAN接口的Microchip32位MCU负责提供全面的系统控制,Microchip电源管理IC负责调节车内电气系统的电源。

DSC2311是一款双输出MEMS时钟,具有与DSC400相似的低相位噪声,已通过AEC-Q100认证。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图3:ADAS长距离雷达系统

用户界面

用户界面类别包括车载娱乐(In-Car Entertainment,ICE)系统和车载信息娱乐(In-Vehicle Infotainment,IVI)系统。这两个系统提供音频和视频娱乐及驾驶员信息,例如导航。

图4展示了如何通过后视摄像头、车载WiFi和蓝牙、AM/FM无线电和CD/DVD驱动器接收数据流,然后传输到汽车应用处理器。处理器将解码输入流并将其转换为音频和视频。用户通过触摸面板选择信息娱乐菜单上的选项以进行通信,随后所请求的媒体将呈现在音频系统和显示器上。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图4:信息娱乐主机

DSC1001是符合AEC-Q100标准的低功耗振荡器,非常适合为单片机和微处理器提供时钟。在该系统中,DSC400的两路输出用于音频处理(12.288 MHz)以及与闪存之间的PCIe通信(100 MHz)。另外两路输出可用于其他外设。

变速箱控制单元

变速箱控制单元(Transmission Control Unit,TCU)是一种控制车辆自动变速箱的系统,通过处理来自多个传感器的输入来优化换档,从而改善发动机排放、燃油消耗、操控稳定性以及换档系统的可靠性。

图4给出了变速箱控制单元通过一个32位MCU处理多个传感器输入(例如轮速和节气门位置)的图示。输出数据通过放大器驱动电路发送到电磁阀,这些电磁阀用于控制变速箱,特别是换档和变矩器锁定。数据还通过车载网络进行交换,从而与其他传感器和驾驶员显示屏进行通信。

DSC1104是一款基于MEMS的单输出HCSL时钟,非常适合从处理器到存储器的各种PCIe事务。它符合PCIe Gen1、Gen2、Gen3和Gen4标准。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图5:变速器控制单元

MEMS解决方案的优势

Microchip基于MEMS的振荡器和时钟与传统石英解决方案相比具有诸多优势,其中包括稳定的频率、小尺寸、高可靠性、灵活性、多项可编程特性、快速有保障的启动功能以及高集成度。所有基于MEMS的振荡器和时钟均通过AECQ100认证或符合AEC-Q100标准。

表1: MICROCHIP基于MEMS的振荡器和时钟的优势

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品

基于MEMS的振荡器和时钟性能

我们在MEMS白皮书中全面介绍了Microchip的MEMS技术和性能,请参见本节的结尾部分以了解详细信息。本应用笔记将探讨温度极限条件(1级,-40°C至+125°C)下频率稳定性随时间的变化(抗老化性能)。

频率稳定性

基于MEMS的振荡器和时钟将测量芯片温度,并以数字方式补偿MEMS谐振器的温度系数导致的任何频率变化,这样便可保证频率的稳定性,与传统石英XO的S曲线形成了鲜明的对比。图6显示了小于10 ppm的频率偏差。

面向汽车应用的 Microchip MEMS振荡器和时钟产品
图6:MEMS振荡器与其他石英产品的频率稳定性对比

振荡器和时钟老化

图7给出了16个DSC60xx器件样片在经过1000小时加速老化(+85°C)后的情况。频率偏差最大为2.5 ppm;在+85°C下老化1000小时与在室温(+25°C)下运行大约12年的结果相当。

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图7:16个DSC60xx器件在+85°C下的老化情况

MEMS白皮书

有关MEMS振荡器和时钟技术与性能的完整详细信息,请访问Microchip的MEMS时序页面,地址为
http://www.microchip.com/design-centers/clock-and-timing/mems-timing
该页面上还提供MEMS白皮书

结论

Microchip基于MEMS的振荡器和时钟凭借高可靠性、频率稳定性和更大的工作温度范围而成为汽车应用的理想选择。这些产品均经过AEC-Q100认证或符合AEC-Q100标准。

可通过ClockWorks工具获取我们的MEMS振荡器和时钟样片: http://clockworks.microchip.com/Timing/ 。此外,还可在客户的工厂使用我们的TimeFlash编程器创建基于MEMS的产品样片:
http://www.microchip.com/promo/timeflash

来源:microchip

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