MEMS-Oszillatoren für IoT- und Wearable-Applikationen

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Jauch Quartz GmbH

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Heitec AG

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Miniaturisierung durch Integration, geringer Gehäusegröße und Flexibilität im PCB-Layout

Die Oszillatoren des US-amerikanischen Herstellers SiTime bieten eine höhere Integration, neue Verpackungsoptionen und weitere Funktionen, die eine Größenreduktion ermöglichen.

Die Anschlüsse für die Spannungsversorgung (Vdd) und Masse (GND) sind im Mittelbereich zwischen den beiden großen XTAL Anschlüssen angebracht, um die Bauelemente pinkompatibel mit bestehenden Quarzlösungen zu gestalten (siehe Abbildung 1)

Für noch kleinere Größen sind die SiT15xx Oszillatoren in einem CSP Gehäuse verfügbar (Bild 1).

Der Platzbedarf verringert sich damit um bis zu 80% im Vergleich zu bestehenden 2012 SMD-Quarzen und ist 60% kleiner als die 1610 (1,6 x 1,0 mm) XTAL Lösung. Denn die externen Kapazitäten zur Quarzbeschaltung oder Bypass-Vdd-Entkopplungskondensatoren werden nicht benötigt, da der MEMS-Oszillator eine spezielle Stromversorgungfilterung beinhaltet.

Dies vereinfacht das Board-Design und Miniaturisierung weiter. Die interne Stromversorgungs-Filterung garantiert eine Rauschunterdrückung bis ± 50 mVpp über 5 MHz.

Aufgrund der physikalischen Einschränkungen der Quarzresonatoren können Quarzlieferanten das CSP-Gehäuse oder integrierte Lösungen nicht anbieten.

Im Gegensatz zu Quarz-Kristallen liegt der Ausgang der SiT15xx direkt am XTAL-IN-Pin des anzusteuernden ICs, wodurch die notwendige Beschaltung für die Lastkondensatoren, wie in Bild 2 dargestellt, entfällt.

Zudem besteht nicht die Notwendigkeit, das Bauelement direkt neben dem Chipsatz platzieren zu müssen. Diese Funktion in Verbindung mit dem Ultra-Low-Profile (0,55 mm Höhe) ermöglicht höchste Flexibilität beim Layout und zusätzlichen Größenoptimierung.

Längere Batterielebensdauer durch geringe Stromaufnahme

In traditionellen Systemen wird das 32-kHz-Taktsignal durch einen Stimmgabelquarz (Uhrenquarz) oder einen MHZ-Quarz mit einer On-Chip-Pierce-Oszillatorschaltung erzeugt.

Diese Quarzoszillatoren sind in der Regel kontinuierlich im Betrieb und verbrauchen mehrere Mikroampere. SiTime SiT15xx 32 kHz MEMS-Oszillatoren ziehen weniger als ein Mikro Ampere Strom und arbeiten sowohl bei geregelter oder ungeregelter Versorgungsspannungen von 1,2 V bis 3,63 V

Frequenzstabilität

32-kHz-MEMS-Zeitgeber haben verglichen mit Quarzkristallen Temperaturkoeffizienten, die extrem flach über der Temperatur verlaufen (-> Bild 4 ). Die SiT15xx-Oszillatoren sind abgeglichen (getrimmt) auf eine Frequenzstabilität von weniger als 10 ppm bei Raumtemperatur und weniger als 100 ppm über dem vollen Temperaturbereich von -40 bis + 85°C.

Im Gegensatz dazu weisen Quarzkristalle eine für Stimmgabelquarze klassische parabelförmige Temperaturkurve auf. Sie haben ihren Scheitelpunkt bei 25°C, wie die roten Linien in Bild 4 verdeutlichen.

Bild 5 zeigt die Frequenzstabilität von 32-kHz-MEMS-TCXO. In diesen Bausteinen wird der Temperaturkoeffizient kalibriert und mit einer aktiven Temperaturkorrekturschaltung korrigiert. Das Ergebnis ist ein 32-kHz-TCXO mit weniger als 5 ppm Frequenzänderung über dem gesamten Temperaturbereich.

Diese extrem niedrige Frequenzänderung führt zu einem hochgenauen Takt und damit zu einer erheblichen Energieeinsparungen. Denn bei höherer Genauigkeit können drahtlose Systeme längere Zeit im Schlafmodus verbleiben, da eine Synchronisation hinsichtlich Taktfrequenz mit dem Netzwerk nicht so häufig durchgeführt werden muss.

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