この図解デモンストレーションでは、MEMS共振器が水晶共振器よりも衝撃や振動に敏感でない理由を説明します。また、 SiTimeの Eliteプラットフォーム™ の最新のMEM発振器ファミリが、水晶共振器に比べてアーキテクチャ上の利点をいくつか備えていることを詳しく確認することもできます。
こんにちは。SiTimeの別の製品トレーニング モジュールをお届けするBrett Hanebrinkです。
今日は、2部構成のシリーズでMEMSテクノロジーの利点について説明します。では、パート1を始めましょう。MEMS共振器の質量は、特定の水晶共振器ブランクに応じて、水晶共振器の質量の約1 ～ 1,000 ～ 1 ～ 3,000です。これは、MEMS共振器が本質的に水晶共振器よりも衝撃や振動に敏感ではないことを意味します。この事実は、振動による位相ノイズと周波数シフトを示す次の2つのスライドで実証されます。
このグラフは、7.5 Grmsの加速度と15 Hz ～ 2 kHzの振動周波数のランダム振動プロファイルを適用した際の、水晶共振器とMEMS共振器の位相ノイズの比較を示しています。位相ノイズは周波数領域でノイズを測定するもので、値が低いほど良いとされます。
位相ノイズ プロットからわかるように、赤色の石英プロットは、前述の15 Hz ～ 2 kHzの周波数範囲にわたるランダム振動の結果として、ノイズが約20 dB増加していることを示しています。対照的に、緑色のMEMS発振器のプロットでは、振動によるノイズの顕著な増加は見られません。ノイズが20 dB増加すると、ビット エラーが増加し、最悪の場合、通信リンクが切断されるため、データ スループットが低下する可能性があります。
上記のグラフは、15 Hzから2 kHzまでの範囲で振幅4 Gの正弦波振動プロファイルに対する発振器の応答を示しています。これは、加速度1 Gあたりの周波数シフトを10億分の1単位で測定されます。MEMSは、振動周波数とTHUNDERに応じて、水晶ベースの発振器に比べて正弦波振動に対する感度が3 ～ 100倍低くなります。
SiTimeの最新のMEMS発振器ファミリであるEliteには、水晶共振器に比べていくつかのアーキテクチャ上の利点があります。このアーキテクチャの中心となるのは、2つのMEMS共振器の使用です。1つはTempFlat共振器で、温度に対する周波数応答が比較的平坦で、PLLに基準周波数を提供します。もう1つはTempSense共振器で、1度あたり -7 ppmというかなり急峻ですが線形の周波数応答を持ち、優れた温度センサーになります。
これら2つの共振器は、200 μm未満の間隔で同じダイ基板を使用しているため、共振器間の熱結合が最適になります。温度センサーと共振器間のこのレベルの熱結合は、発振器回路を含むIC上に存在する水晶共振器と温度センサー間の物理的な分離のため、水晶ベースの発振器では不可能です。
しかし、DualMEMSと高帯域幅温度により、デジタル コンバーターは、高速熱過渡現象が発生した場合でも可能な限り最高の周波数安定性を実現します。水晶発振器では、温度センサーが搭載されているCMOSダイが基板パックにマウントされ、ボンド ワイヤを介してパッケージ リードと水晶接続に接続されます。
温度センサーと共振器間のこの物理的な分離により、大きな熱遅延が発生し、高速熱過渡時の周波数安定性エラーが増加します。温度センサーを水晶共振器上に配置できないため、この熱遅延を改善する方法はほとんどありません。対照的に、SiTime MEMS発振器のEliteファミリはデュアル共振器構造を採用しており、TempSense MEMSはTempFlatと同じダイ基板を200 μmの間隔で共有しています。
このように近接し、同じダイ基板を共有することで、温度センサーと共振器間の熱結合が非常に緊密になり、熱遅延が非常に小さくなります。MEMS発振器の構造を完成させるために、持続増幅器、TDC、フラクショナルPLLなどのCMOS回路要素を含むCMOSダイの上にDualMEMS共振器が積み重ねられます。ここでパート1を締めくくるのがよいでしょう。
新しいElite製品の追加メリットを紹介するパート2をご覧ください。
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