MEMS-Oszillatoren für IoT- und Wearable-Applikationen

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MEMS sind 50 Mal robuster

IoT- und Wearable-Geräte sind häufig extremen mechanischen Erschütterungen und Vibrationen ausgesetzt. Beim Einsatz in rauen Umgebungen besteht für Quarzoszillatoren die Gefahr, dass sie nicht mehr innerhalb der angegeben Spezifikationen arbeiten. Einige Quarzoszillatoren sind besonders empfindlich auf sinusförmige Schwingungen und Stöße und weisen dann erhebliche Frequenzänderungen auf.

Die SiT15xx-Architektur zeichnet sich durch eine höhere Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit bei solchen Umweltfaktoren im Vergleich zu ihren Quarzgegenstücken aus. Die sehr kleine Masse (3000-mal kleiner als Quarz-Resonatoren) und das strukturelle Design machen sie extrem unempfindlich gegen externe Kräfte wie Vibration und Schock.

Anwendung und Design-Beispiele

Abbildung 10 zeigt die in einem typischen tragbaren Gerät nötigen Taktsignale. Eine „Low Ppower“- 32-Bit-MCU arbeitet hier mit einem 16 MHz-Quarztakt und synchronisiert das Herzstück des Controllers sowie die Peripheriegeräte.

Der 32 kHz-Quarz wird für die Echtzeittaktung verwendet. Die MCU sendet Daten an den Hochfrequenz Chip für den drahtlosen Datenaustausch, der einen 32 kHz Quarz für die Taktzeitsteuerung des „Sleep Mode“ verwendet.

Abbildung 11 zeigt ein Design mit dem zwischen 1 Hz bis 32 kHz programmierbare SiT1534 MEMS-Oszillator für die Sensoranwendung und ein 32 kHz MEMS, der SiT1532, das den Referenztakt der RTC (real time Clock) in einer MCU steuert. Bei diesem Beispiel kann der benötigte Platz auf der Platine halbiert werden, wenn das nur 1,5 x 0,8 mm große CSP Gehäuse eingesetzt wird.

Die Abbildung zeigt eine Architektur bei der 32,768 kHz Timing Lösungen für zwei Chips, einmal für den Referenztakt des Mikrocontroller und als weak-up/Sleep-mode timer für den Bluetooth-Chip. In diesem Entwurf reicht ein einzelner MEMS-Oszillator (entweder SiT1532 oder SiT1552 TCXO) im winzigen 1,5 x 0,8 mm CSP Gehäuse, um beide Lasten zu treiben.

Da der Oszillator oder TCXO in der Lage ist, zwei Lasten zu bedienen, kann der Einsatz von sonst zwei getrennten 32 KHz Quarzen vermieden werden, bei gleichzeitig wesentlich kleinerem Raumbedarf (acht mal kleiner als ein Design das zwei SMD-Quarze der Bauform 2012 + die vier erforderlichen Lastkondensatoren verwendet). Dieses Design erspart zudem erhebliche Leistung bei 100-mal bessere Stabilität verglichen mit einem BLE Chips mit interner 32 kHz RC über der Temperatur.

Zusammenfassung

Innovationen im schnell wachsenden Wearable und IoT Segment werden durch Fortschritte in den zugrundeliegenden Technologien getrieben. Die neuen MEMS Timing-Lösungen sind eine der Schlüsseltechnologien, die den Trend zu kleineren, stromsparenden Geräten mit höherer Robustheit ermöglichen und unterstützen.

* Axel Gensler ist Product Manager bei Endrich Bauelemente

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