汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破

更新日期:2022年06月14日

       新技术取代现有技术通常会带来功能上的突破。 50 多年来, 半导体行业一直在追求更小的尺寸、更快的速度和更低的价格(以及或更高的性能、可靠性等)。如今, 汽车应用中的数字电路对时序要求非常高, 对 MEMS(振荡器)的需求比过去更大。本文将讨论各种汽车应用中的这种新兴需求, 并解释与晶体振荡器的区别。此外, 还将推出一类新的汽车级振荡器, 可满足大多数时间关键型应用的需求, 并为所有应用带来更高的可靠性。新兴汽车应用的新要求 如今, 汽车通常会配备先进的驾驶辅助系统(包括车载摄像头、超声波传感以及雷达、信息娱乐系统和车载网络等), 所有这些都需要依靠精准计时虽然振荡器已经在汽车领域生产和使用了十多年, 但是车载的自动驾驶汽车需要更强大的功能, 普通的时间同步设备显然不能胜任这项任务汽车领域所需的可靠性一直是汽车制造商及其电子系统供应商关注的焦点。但是由于晶振的结构比较薄, 很容易被振动损坏, 所以它的频率为通常限于固定频率。而且此类装置的清洁生产等级不高.此外, 尺寸较大的石英器件甚至在高冲击和振动的条件下也不能很好地保持性能。相比之下, 振荡器是在集成电路(晶圆厂)中生产的, 因此与其他振荡器一样具有非常高的清洁度。确切的说, 与传统晶振相比, 抗振能力提高了5倍, 振子的可靠性提高了20倍, 抗震能力提高了500倍。此外, 振荡器还兼具体积小、坚固耐用的特点。相比之下, 晶振的尺寸是有限的, 而且尺寸越小, 价格就越高。在最初的空间非常有限的汽车应用中, 由于晶体尺寸太大, 无法满足极其严格的空间限制, 因此不得不对车内的一些摄像头进行改造。
       因此, 该技术自然成为这种批量汽车应用的理想替代解决方案。此外, 许多新的汽车应用更喜欢更小的封装, 因此振荡器的尺寸是替代晶体振荡器的另一个驱动因素。振荡器的另一个优点是能够在极端条件下工作 保持其在高温下的频率稳定性。相比之下, 石英器件随温度表现出显着的非线性, 因此难以保持频率稳定性。目前可用的振荡器为 1 级(即环境工作温度范围为 40 至 125(根据 100 标准)。而新一代振荡器将支持更高的温度, 并能够在某些领域满足 0 级(40 至 150 的要求)汽车(见表1。表1:以下是100个不同等级的汽车应用中的工作温度往往是由于安装振荡器的环境温度较高, 或者需要将振荡器放置在印刷电路板 (PCB) 上的特定位置, 可能会导致温度过高问题。此外, 汽车中的连接级别越高, 所需的功率就越多。高的。这种散发的热量会导致附近组件的局部环境温度升高。此外, 为了维持系统的稳定性, 经常需要在其运行附近放置晶体, 而历史数据表明, 此类晶体支持 3 级。然而, 这种情况正在发生变化。信息娱乐系统中的微处理器往往会散发大量热量, 虽然大多数汽车内部组件被指定为 2 级(最高 105), 但靠近处理器的时钟需要支持 1 级(最高 125)。这些强大的处理器可以很容易地加热晶体, 导致它由于温度漂移和频率偏移而超出所需的频率范围, 因此振荡器是一个很好的替代解决方案。如果您想继续使用晶体, 一种解决方案是将其安装在远离处理器的位置, 但这会影响板上的局部布局。另一种解决办法是使用更稳定的(50~125晶振, 但也比较贵, 可能是原来振荡器的3倍以上。相比之下, 振荡器更好, 因为它配备了有源温度补偿电路。这个电路可以实时校正温度变化(每秒高达 30 次, 从而保持恒定的输出频率。这导致高温应用非常准确(低至 20 误差温度稳定性), 并且与高稳定性相比成本更低水晶。与图形(以及计算(及其相关的电源管理)性能和处理能力不断提高, 现有的晶体振荡器由于其局限性势必面临越来越大的挑战。振荡器技术振荡器的核心基础是谐振器。这是一种蚀刻自硅产生非常精确的机械振动, 提供精确的频率。自由梁短支架(谐振器设计如图 1 所示。
       谐振梁连接到基板上的四个锚点)接触, 它位于基板上方,

带有一个小图 1:此图像显示了使用扫描电子显微镜 (3050) 观察到的微加工谐振梁(仅 3050)。在谐振器束下方的电极形成静电换能器。当谐振束和电极在不同的电压下, 它们之间会产生一个力。换能器间隙充当时变电容ance, 在偏置时产生谐振频率的输出电流。为了达到高品质因数, 谐振器将在真空环境中通过封盖和密封工艺(使用熔合技术。由此产生的晶圆级封装可广泛用于各种注塑封装。图 2 显示了密封芯片内部 谐振器如何堆叠到专用集成电路(片上)上。该器件通过键合线连接到芯片。图 2:此处给出了完整振荡器结构的分解图。在 on the on - 芯片一次性可编程(存储器和交叉开关) 实现产品灵活性 设置输出频率和分频器值以及温度校准设置, 输出协议选择, 上升和下降时间控制, 使能引脚上拉和下拉值等存储在该存储器中。可以添加很多功能。例如, 可以添加多个输出, 这有助于减少空间需求并启用石英晶体上无法添加的功能。或者, 可以添加扩频以减少或避免 EMI(问题。也可能受到时钟输出的上升和下降时间的影响。我们利用振荡器中的可编程性来改变时钟的上升和下降时间, 非常这个问题及时得到解决, 设计最终确定。汽车级时序解决方案最近推出的 111 和 115 是汽车级振荡器和时钟发生器, 它们在 40 至 125 温度范围内具有出色的性能, 符合 100 的要求 频率稳定性(低至 20 ) 专为 1、2 和 3 类应用而设计。这些振荡器的相位抖动低于 1(典型值, 工作范围为 23 至 170,

可用于 2520、3225 和 5032 提供三种行业标准的小尺寸,

均为 085 110525 在功能上与 110121 相当, 但上升和下降时间相对较长, 因此可以减少。图 3 显示了集成到这些振荡器中的模块 图e 3:振荡器中的各个模块完美结合, 在整个温度范围内实现稳定的时钟频率。振荡器中的温度传感器与其他电路一起工作以给出芯片温度的数字表示, 然后将其发送以校正谐振器绝对频率和温度系数的自然扩散。图 4 显示了使用这种技术实现的温度稳定性示例。
        图 4:振荡器的频率稳定性与晶体的比较显着改进, 尤其是在高达 125 的温度下。 多输出振荡器 在这些符合 100 标准的新型 1 类振荡器中, 有业界首款双输出振荡器 2311。该振荡器采用 2520 封装(图 5, 可替代两个板上的晶体或其他振荡器(见图 6)。该设备具有 23 至 170 范围内的两个同步输出。这不仅节省了空间, 还减少了采购、库存和安装成本, 最终提高了产品集成度。图 52311 振荡器提供 2520 封装尺寸。
       2311 振荡器的内部框图如图 6 所示。使用双输出振荡器, 可以用一个器件代替两个晶振, 从而减少材料清单(成本. 信息娱乐系统通常包含一个主板和多个处理器, 每个处理器都需要一个单独的参考频率。在这种情况下, 可以使用双输出振荡器来代替多个时钟。由于空间通常有限, 振荡器是理想的,

可以解决许多问题。图 7 显示了如何将 2311 和其他组件放置在汽车电路中。图 7 此应用图显示了 2311 双输出振荡器如何同时为两个组件提供时钟。表 2:该表列出了符合汽车标准的 1 类振荡器及其特性。长期关注产品生命周期, 始终坚持遵循客户驱动报废的原则, 即根据客户的需求确定产品的停机时间。因此, 我们能够确保汽车制造商及其供应供应商的振荡器源源不断, 而且他们这样做的时间比其他半导体供应商要长得多。时间就是金钱 设计支持对于任何设计变更都至关重要。使用在线配置器工具, 设计人员可以轻松地根据频率、封装尺寸和温度范围为他们的应用选择和定制振荡器, 并且可以订购免费样品。此外, 2311双输出时钟发生器的两个输出频率甚至可以使用配置器进行定制。虽然客户使用配置器需要 2 到 5 天才能收到样品, 但一旦收到样品, 设计人员可以使用 2 现场编程套件在几秒钟内将空白现场可编程振荡器编程为自定义频率并执行设计验证。插入该套件的端口可以在用户的​​计算机桌面上进行闪存编程。该套件还能够测量标准振荡器的频率精度和功耗, 以及测量电流和稳定性。拥抱变化, 成就卓越 20年来, 可靠性逐渐成为汽车制造商倍加关注的焦点。在上面, 可靠性是最高的。但包括晶体振荡器在内的其他组件尚未达到这一基准。相比之下, 振荡器已将振荡器的可靠性提高到对汽车客户大有裨益的水平。自动驾驶等应用通常需要最高水平的可靠性, 这使得振荡器解决方案成为汽车供应商的最佳选择。如果你还在犹豫要不要用晶振代替晶振, 我们来看看振荡器的诸多优点:频率稳定性更高、节省空间、支持更高耐高温、耐冲击振动等。目前, 由于这些优点, 越来越多的汽车制造商正在转向新的振荡器技术。责任编辑:本文由电子工程相册供稿, 电子工程相册对文中言论和观点中立

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