신뢰성, 성능 및 짧은 리드 타임 요구 사항을 충족하는 프로그래밍 가능 MEMS 발진기

소비자, 자동차, 산업, 의료, 통신, 사물 인터넷(IoT), 엔터프라이즈 등 다양한 응용 분야의 시스템 설계자는, 특히 기존 표준을 지원해야 하는 경우 다양한 클록 타이밍 요구 사항과 성능 특성을 고려해야 합니다. 여기에는 정확성, 정밀도, 안정성, 시스템 잡음, 전자파 장해(EMI), 전력 소비, 출력 유형(차동 또는 싱글) 및 다양한 확산 스펙트럼 프로파일이 포함됩니다. 설계자는 전력 소비가 적은 소형 폼 팩터에서 다양한 요구 사항을 충족해야 한다는 과제가 주어집니다.

이와 동시에 비용과 배송 시간을 최소한으로 유지해야 하는 데, 이는 대량 주문이 필요하고 리드 타임이 3주 ~ 5주 또는 그 이상이 걸릴 수 있는 맞춤형 구성에서는 달성되기 어려운 과제입니다. 이러한 지연으로 인해 시제품 제작과 개발은 물론이고 최종 제품 생산 일정도 지체될 수 있습니다.

보다 유연한 고성능 타이밍 솔루션에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 일반 수정 발진기 대신 프로그래밍 가능 마이크로 일렉트로닉스 시스템(MEMS) 발진기를 사용할 수 있습니다. 이 발진기는 품질 및 성능 요구 사항을 충족하면서, 사용자의 요구 사항에 맞게 조정 가능한 표준 구조로 제공됩니다.

이 기사에서는 프로그래밍 가능 MEMS 발진기를 간략히 소개하고 주요 요소에 대해 설명합니다. 그런 다음 SiTime의 장치를 예로 들어 살펴보고 리드 타임과 전체 비용을 줄이면서 다양한 응용 분야의 타이밍 요구 사항을 충족하는 장치를 선택하여 사용할 수 있는 방법을 알아봅니다.

프로그래밍 가능 MEMS 발진기를 사용하는 이유

2000년대에 MEMS 발진기가 등장한 이후에 수정 진동자 공진기가 회로 타이밍을 주도했습니다. 하지만 빠른 혁신과 실리콘 처리가 적용되면서 MEMS 발진기가 품질, 신뢰성 및 내구성 중심의 설계 요구 사항을 가진 솔루션으로 선호되고 있습니다. 수정 발진기는 다양한 응용 분야에 적합한 저비용 옵션으로 유지되고 있지만, 고집적 프로그래밍 가능 MEMS 장치에 비해 설계적 측면에서 다소 복잡할 수 있습니다. 예를 들어 수정 발진기로 작업하는 설계자는 EMI를 최소화하면서 저온 시동 장애, 수정 불일치 등과 같은 문제를 방지하기 위해 올바른 공진기와 부하 커패시터를 선택해야 합니다.

프로그래밍 가능 MEMS 장치의 플러그 앤 플레이 기능은 이러한 복잡성을 방지하거나 크게 완화합니다. 또한 간단하고 표준화된 제조 공정과 작은 크기는 고유한 성능, 신뢰성 및 탄력성 특성을 제공합니다. 예를 들어 대규모 실리콘 기반 MEMS 제조 공정을 사용하면 오염 가능성을 최소화하여 백만 개당 불량 부품 수(DPPM)를 줄일 수 있습니다. 설계자에게 중요한 이 저비용 공정은 평균 무고장 시간(MTBF)을 개선하여 품질과 신뢰성을 높입니다. 이는 -55˚C ~ +125˚C 사이의 극한 온도 환경 전반에 적용됩니다.

크기의 측면에서 MEMS 발진기의 작은 질량(표준 32kHz MEMS 발진기를 칩 스케일 패키지(CSP)로 제공 가능)과 핀 헤드 크기는 MEMS 발진기가 충격과 진동에 매우 강력하다는 것을 의미합니다. 또한 프로그래밍 가능 MEMS 발진기는 공진기와 발진기 회로 사이에 노출된 pc 기판 연결이 없고 발진기 회로가 전기적으로 잡음이 심한 조건에 최적화되어 있으므로 EMI에 휠씬 덜 민감합니다. 이러한 구조와 설계로 기판 잡음에도 덜 민감합니다.

프로그래밍 가능 MEMS 발진기의 요소

프로그래밍 가능 MEMS 장치는 CMOS IC와 함께 MEMS 발진기 패키지로 구성됩니다. 이 CMOS IC에는 필요한 클록(CLK) 출력을 생성하기 위한 아날로그 발진기 제어 및 드라이브 회로망이 포함되어 있습니다(그림 1). 회로망에는 일반적으로 분수형 N 위상 고정 루프(PLL)와 관련 드라이버, 구동기, 전압 조정기, 온도 보정 및 정전기 여기를 통해 MEMS 공진기를 구동하기 위한 회로망이 포함되어 있습니다. 그림 1에 표시된 1회용 프로그래밍 가능(OTP) 메모리는 프로그래밍된 파라미터를 저장하는 데 사용됩니다.

그림 1: 왼쪽에 표시된 MEMS 공진기와 패키지로 제공되는 CMOS IC의 구성 가능 아날로그 발진기 회로망을 통한 MEMS 발진기 드라이브(세 가지 유형, 응용 분야에 따라 선택)의 프로그래밍 가능성 (이미지 출처: SiTime)

필요한 CLK에 따라 다른 부품이 선택 또는 제조되는 수정 발진기와 달리 프로그래밍 가능 MEMS 발진기는 필요한 출력 주파수에 맞게 현장에서 프로그래밍 가능하도록 블랭크 배치로 제조됩니다. 주파수와 함께 프로그래밍 가능한 다른 파라미터에는 공급 전압, 주파수 안정성, 상승/하강 시간 등이 있습니다(그림 2).

그림 2: 설계자는 광범위한 프로그래밍 가능 MEMS 타이밍 옵션을 사용하여 다양한 응용 분야에서 여러 세대의 시스템에 대한 요구 사항을 유연하고, 효과적이며, 비용 효율적으로 충족할 수 있습니다. (이미지 출처: SiTime)

설계자는 이 파라미터 미세 조정을 사용하여 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서, SoC(시스템온칩)와 같은 다운스트림 IC와 정확히 일치하도록 출력 주파수를 프로그래밍할 수 있습니다. 이 유연성으로 인해 외부 버퍼, 주파수 분할기 또는 주파수 변환 PLL이 필요하지 않을 뿐 아니라, 복잡성이 크게 감소되고 개발 시간도 대폭 축소됩니다.

프로그래밍 가능 MEMS 발진기는 설계자의 부담을 크게 줄여주지만 부담이 사라지지는 않습니다. 대신 업스트림이 장치 제공업체에게 이동됩니다. 설계자는 장치 제공업체에 의존하여 손쉽게 프로그래밍되는 신뢰할 수 있고 안정적인 솔루션을 보장하는 데 필요한 MEMS, 프로그래밍 가능 아날로그 및 시스템 전문 지식을 확보합니다.

프로그래밍 가능 MEMS 솔루션

유연하기는 하지만, 모든 주파수에서 모든 응용 분야를 포괄하는 "완벽한 단일" 옵션은 없습니다. 그럼에도 불구하고 프로그래밍 가능 MEMS 발진기 공정과 기술은 매우 친근하게 느껴질 정도로 익숙해져 있습니다. 예를 들어 SiTime Elite Platform의 SiT3521(그림 3) 및 SiT3522 발진기는 각각 1MHz ~ 340MHz 및 340MHz ~ 725MHz 범위(1Hz 증분)에서 I2C/SPI 인터페이스를 사용하여 시스템 내 프로그래밍 가능성(ISP)을 지원합니다.

그림 3: SiT3521(그림)은 디지털 I2C/SPI 인터페이스(오른쪽 하단)를 제공하며 1MHz ~ 340MHz 범위에서 프로그래밍 가능합니다. 자매 장치인 SiT3522는 340MHz ~ 725MHz 범위에서 프로그래밍 가능합니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 장치는 디지털로 제어되는 발진기(DCO)로서 제어 입력을 구동하기 위한 디지털 아날로그 컨버터(DAC)가 필요하지 않고, 아날로그 잡음 커플링이 발생하지 않습니다.

또한 PLL의 분수형 피드백 분배기를 통해 주파수 풀링이 실현되므로 풀 비선형성이 없습니다. 분수형 피드백 분배기를 사용하면 전압 제어식 수정 발진기가 함께 사용되므로 풀링 기능이 제약되지 않습니다. 따라서 장치에서 6.25ppm ~ 3200ppm 사이의 16개 주파수 풀 범위 옵션을 사용할 수 있습니다. 두 장치는 모두 0.2ps 이하의 초저 위상 지터와 ±25ppm ~ ±3200ppm 사이의 지정된 프로그래밍 가능 풀 범위를 가집니다. 주파수 풀 분해능이 5ppt에 불과하고, LVPECL, LVDS, HCSL의 세 가지 신호 유형을 지원합니다.

이러한 유연성으로 인해 두 장치는 네트워킹, 서버 스토리지, 동보 통신, 전기 통신, 테스트 및 측정과 같은 응용 분야에 적합합니다. 디지털 동영상 전송, 이더넷 등에 대한 기존 표준과의 하위 호환성이 필요하므로, 여러 주파수를 수용하고, 다양한 지터 및 위상 잡음 요구 사항을 충족할 수 있어야 합니다.

SiT3521 및 SiT3522 프로그래밍 가능 MEMS 발진기 사용

작동 시 SiT3521 및 SiT3522는 두 가지 모드("모든 주파수" 및 DCO)를 사용합니다. 모든 주파수 모드에서 설계자는 장치를 지원되는 주파수로 다시 프로그래밍할 수 있습니다. 이를 위해 사후 분배기, 피드백 및 mDriver 값을 계산한 후 장치에 기록해야 합니다(그림 4).

그림 4: I2C/SPI 발진기의 상위 수준 제품 구성도에서 SiT3521 및 SiT3522 프로그램은 모두 사후 분배기, 피드백 분배기 및 mDriver 값 계산으로 시작되며, 계산을 위해 사용자가 입력한 값이 대상 출력 주파수가 됩니다. (이미지 출처: SiTime)

이 계산에서 설계자는 필요한 출력 주파수 값만 입력하면 됩니다. 다른 입력 값은 분배기의 허용 범위입니다. 새 값을 프로그래밍하는 동안 출력이 잠시 비활성화되므로 설계자는 해당 사실을 고려해야 합니다.

디지털 제어의 경우 프로세스가 더 간단합니다. 장치는 주문 코드에 따라 공칭 작동 주파수 및 풀 범위까지 구동됩니다. 해당 지점에서 해당 제어 레지스터에 기록하여 풀 범위와 출력 주파수를 설정할 수 있습니다(왼쪽 상단, 그림 4). 하지만 고려해야 할 몇 가지 세부사항이 있습니다. 예를 들어 풀 범위 제한에 의해 최대 출력 주파수 변경이 제약됩니다. 풀 범위는 피크 간 편차의 절반으로 지정되므로, 피크 간 편차가 200ppm일 경우 풀 범위는 ±100ppm으로 지정됩니다.

16개 옵션 목록에서 필요한 풀 범위를 선택한 후(±6.25ppm ~ ±3200ppm, 이전 설명 참조), 풀 범위는 해당 제어 레지스터에 로드됩니다(Reg2[3:0], 그림 4). 풀 범위는 주파수 정밀도에 영향을 줍니다(표 1 참조).

출력 주파수를 변경하기 위해 설계자는 두 제어 단어를 기록합니다. 즉, 최하위 단어(LSW)를 Reg0[15:0]에 기록한 다음 최상위 단어(MSW)를 Reg0[15:0]에 기록하면 됩니다. MSW를 기록하면 장치의 피드백 분배기 값이 새 주파수를 수용하도록 변경됩니다. 이 작업은 Tdelay 타임 프레임 중에 수행됩니다(그림 5).

그림 5: DCO 모드에서 출력 주파수 변경은 MSW를 기록한 이후에 시작되고, 장치의 피드백 값(Tdelay 중)과 정착(Tsettle)이 새 값(F1)의 1%로 변경된 이후에 종료됩니다. (이미지 출처: SiTime)

분배기 값이 설정된 이후에 출력은 최종 주파수 값의 1% 이내로 정착됩니다. "모든 주파수" 모드와 달리 주파수 변경 중에 출력이 비활성화되지 않습니다. 하지만 소프트웨어 출력 사용(OE) 제어 기능을 활성화한 경우 설계자는 주파수 변경 기간 중에 출력을 수동으로 비활성화할 수 있습니다.

장치에 익숙해지고 장치가 응용 분야의 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 설계자는 SiT6712EB 평가 기판을 사용하여 장치를 실험해 볼 수 있습니다. 이 평가 기판은 10핀 QFN 패키지 내에서 차동 신호 출력을 사용하여 SiT3521과 SiT3522를 모두 지원하며, 신호 무결성, 위상 잡음, 위상 지터, 재프로그래밍 편의성을 비롯한 장치의 모든 측면을 평가할 수 있습니다. 또한 LVPECL, LVDS 및 HCSL 출력 신호 유형을 지원하고 출력 주파수 측정을 위한 프로빙 지점을 포함합니다.

여기서 상승/하강 시간이 나노초 미만인 차동 발진기가 있습니다. 정확한 측정을 보장하려면 측정 모범 사례를 고품질 활성 프로브와 함께 사용해야 합니다(그림 6).

그림 6: SiT6712EB 평가 기판을 사용할 경우 고품질 활성 프로브와 적합한 고속 차동 브로브 헤드를 사용하는 등 고속 측정 모범 사례를 채택해야 합니다. (이미지 출처: SiTime)

최상의 결과를 얻으려면 대역폭이 4GHz를 초과하고 부하 정전 용량이 1pF 미만인 활성 프로브를 정합 고속 차동 프로브 헤드와 함께 사용해야 합니다. 동반된 오실로스코프는 50Ω 입력에서 주파수가 4GHz 이상이어야 합니다.

응용 분야 중심의 기성 프로그래밍 가능 발진기

다양한 프로그래밍 가능 MEMS 발진기가 있으며, 일부는 네트워킹, 동보 통신 및 통신에 적합하고, 다른 일부는 자동차(예: AEC-Q100 자격) 또는 산업(예: 높은 작동 온도 범위)에 적합한 특성을 포함할 수 있습니다. 예를 들어 SiT1602BI-33-33S-33.333330의 작동 온도 범위는 -40˚C ~ +85˚C이고, 33.333330은 공칭 주파수(MHz)를 나타냅니다.

또한 특정 응용 분야에 적합한 패키지 및 전압 옵션이 있습니다. 예를 들어 SiT1532는 저전압 CMOS(LVCMOS) 1.2V 발진기이며, 마운트 면적이 1.54mm x 0.84mm이고 높이가 0.60mm인 UFBGA 패키지로 제공됩니다(그림 7). 모바일 및 IoT 응용 분야를 대상으로 하고 공칭 주파수가 32.768kHz입니다.

그림 7: SiT1532는 IoT 및 모바일 응용 분야용 UFBGA 패키지로 제공되는 LVCMOS 프로그래밍 가능 MEMS 발진기입니다. (이미지 출처: SiTime)

자동차 응용 분야를 위한 SiT8924AE 24MHz 발진기는 매우 높은 작동 온도 범위(-55˚C ~ 125˚C) 및 소형 무연 표면 마운트 장치(SMD) 패키지를 2.50mm x 2.00mm 마운트 면적 및 0.80mm 높이와 결합합니다.

수십 개의 계열로 구성된 이 프로그래밍 가능 MEMS 장치는 즉시 사용 가능한 공칭 주파수의 기성 제품으로 제공되며, 원래 형태는 '블랭크'로 모두 동일합니다. 기본적으로 "현장에서 프로그래밍 가능한" 발진기이며, 일반적으로 필요한 주파수에 맞게 공장에서 미리 프로그래밍된 블랭크 상태로 제공되고 DigiKey에서 재고를 보유하고 있습니다.

맞춤형 발진기의 빠른 배송

다양한 발진기의 출시로 필요한 타이밍 회로를 빠르게 출시할 수 있지만, 발진기 프로그래밍이 매우 간단함에도 불구하고 모든 설계자가 프로그래밍 처리를 원하는 것은 아니며, 경우에 따라 맞춤형 구성이 필요할 수도 있습니다. 예전에는 후자의 경우 공장에서 맞춤형 구성을 배송하는 데 3주 ~ 5주의 리드 타임이 필요했습니다. DigiKey는 자동화된 프로그래밍 기계(SiTime 부품 전용)를 자체 창고에 설치하여 이 문제를 해결했습니다(그림 8).

그림 8: DigiKey의 자동화된 프로그래밍 기계(SiTime 발진기 전용)의 프로그래밍 소켓에 블랭크 발진기가 배치되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 기계는 현재 8개의 소켓을 사용하고 맞춤형 구성의 리드 타임을 24시간 ~ 48시간으로 줄여서 시간당 최대 1500개 장치를 프로그래밍할 수 있으며 최소 주문 수량은 없습니다.

이 기능을 활용하기 위해 설계자는 DigiKey TechForum의 SiTime 프로그래밍 가능 발진기에서 시작합니다. 요청이 제출되면 DigiKey의 엔지니어링 기술자 중 한 명에게 이메일이 즉시 발송됩니다. 엔지니어링 기술자는 새 부품 번호를 확인하여 DigiKey 웹 사이트에 추가합니다. 웹 사이트에서 설계자에게 주문 절차를 안내하는 동안 발진기 구성에 대한 SiTime 명명 규칙을 숙지하는 것이 좋습니다(그림 9).

그림 9: SiTime 프로그래밍 가능 MEMS 발진기(이 경우 SiT2001 기본 모델)에 일반적으로 사용되는 구성 명명 규칙을 보여줍니다. (이미지 출처: SiTime)

결론

다양한 응용 분야의 시스템 설계자는 현재, 기존 및 미래의 시스템 사양과 요구 사항을 충족하는 유연한 회로 타이밍 솔루션이 필요합니다. 다양한 수정 또는 MEMS 발진기와 관련 회로 및 설계 복잡성 대신, 설계자는 대부분의 요구 사항을 이미 충족할 수 있는 프로그래밍 가능 MEMS 장치를 선택하여 공간, 시간 및 비용을 절약할 수 있습니다.

맞춤형 설계가 필요한 경우 설계자는 공장에서 배송되는 3주 ~ 5주 동안 대기할 필요가 없습니다. SiTime 장치 전용 프로그래밍 기계를 사용하여 DigiKey는 24시간 ~ 48시간 이내에 맞춤형 구성의 배송을 시작할 수 있습니다.