Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2013
Todd Borkowski
EDN
В статье описывается эволюция технологии МЭМС в области устройств синхронизации. До недавнего времени в ней доминировали кварцевые генераторы. Электростатические и пьезоэлектрические МЭМС сегодня составляют им серьезную конкуренцию и могут вытеснить кварц во многих приложениях, благодаря улучшенному на всех частотах общему допуску, лучшему коэффициенту подавления пульсаций напряжения питания, меньшему джиттеру и высокой надежности.
Классический кварцевый генератор, использующий в качестве основного элемента кварцевый резонатор, прослужил в электронной промышленности почти 100 лет. Но этот рынок готов рухнуть, и кварцу бросают вызов альтернативные подходы, основанные на технологии резонаторов на базе МЭМС (микроэлектромеханических систем).
В отрасли МЭМС компонентов имеются две различные технологии, конкурирующие за право вытеснить кварц. Одна из них основана на электростатическом возбуждении, другая – на пьезоэлектрическом. Рассмотрение плюсов и минусов каждой технологии начнется с описания проблемы замены кварца.
Препятствия на пути МЭМС
Существенное преимущество МЭМС-технологии заключается в том, что она дает возможность выпускать миниатюрные компоненты крупными партиями и заменить сложный производственный процесс, используемый при изготовлении кварцевых генераторов. Поскольку конечный продукт выпускается на кремниевом кристалле, МЭМС-компоненты могут быть размещены в одном корпусе с сопутствующими микросхемами, давая существенный выигрыш в технологичности, размерах, совместимости, простоте использования и, конечно же, в совокупной стоимости системы. Кроме того, МЭМС более устойчивы к ударам, вибрации и электромагнитным помехам, чем кварц. И, наконец, их можно сконструировать свободными от провалов на температурной характеристике, а диапазон рабочих температур расширить за пределы –40 … +85 °C.
Однако кварцевые устройства синхронизации имеют долгую и успешную историю. Это зрелая и хорошо отработанная технология с ключевым преимуществом, которое еще должны завоевать МЭМС-компоненты: кварцевый материал очень стабилен в широком диапазоне температур. А это важный фактор для устройств, которые должны работать при типичных температурах от –40 до +85 °C. В МЭМС используется кремний, размягчающийся с повышением температуры, что приводит к изменению критического параметра – частоты, недопустимому во многих приложениях.
Допустимый уход частоты, конечно, зависит от продукта и рынка. Промышленные приборы и мобильные устройства связи предъявляют другие требования, чем, например, оборудование инфраструктуры связи. Для цепи синхронизации мобильного устройства может требоваться стабильность ±2.5 ppm при температуре от –30 до +85 °C, в то время как для менее требовательных приложений будет приемлем температурный дрейф от ±50 до ±100 ppm.
Помимо частотной стабильности, еще одним важным параметром для устройств синхронизации является джиттер (и тесно связанный с ним параметр «фазовый шум»). Джиттер – это, фактически, случайные отклонения выходного сигнала от номинальной частоты.
Для пользователей также немаловажно, насколько можно расширить «собственную» опорную частоту генератора, с тем, чтобы свести к минимуму количество шагов дополнительного масштабирования, необходимого для получения требуемой рабочей частоты. Чем больше они масштабируют исходную частоту, тем больше вносится шумов и страдает качество выходного сигнала. Добавление дополнительной цепи к генератору позволяет ему работать на гармониках (обертонах) основной частоты, но, в сравнении с обычным режимом, это также увеличивает джиттер.
Наконец, в мире, в котором так много продуктов с батарейным питанием, и на счету каждый милливатт, пользователи считают энергопотребление компонента жизненно важным фактором. Во многих конструкциях существуют ограничения на допустимую мощность и связанные с этим проблемы теплоотвода.
МЭМС в двух вариантах: электростатика против пьезоэлектричества
 |
|
| Рисунок 1. | Метод создания электростатических МЭМС-резонаторов основан на использовании электрического поля, взаимодействующего с подвижными элементами. |
Существуют два различных подхода к проектированию устройств синхронизации на основе МЭМС: электростатический и пьезоэлектрический. В первом подвижные кремниевые МЭМС-элементы взаимодействуют с окружающим их точно контролируемым электрическим полем. Такое электростатическое или емкостное воздействие приводит в движение части ядра МЭМС-резонатора (Рисунок 1). Второй подход предполагает использование в МЭМС-резонаторе пьезоэлектрических актюаторов, преобразующих механическое движение и нагрузку в электрический сигнал, и наоборот (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Пьезоэлектрический подход основан на зависимости электрического напряжения от механического и имеет потенциал для создания качественных резонаторов. |
Учитывая значительные преимущества МЭМС над кварцем, как мы можем оценить и сравнить два разных сложных подхода к достижению высокой стабильности, низкого шума и малого потребления тока, которые позволят вытеснить кварцевые генераторы?
Для решения первой проблемы, стоящей на пути вытеснения кварца, то есть высокой температурной стабильности частоты, разработчики электростатических МЭМС обычно дополняют схему генератора цифровым синтезатором, компенсирующем более 3000 ppm дрейфа в диапазоне от –40 до +85 °C. И хотя дрейф этим способом устраняется эффективно, он, к сожалению, приводит и к негативным последствиям, внося существенный дополнительный джиттер и фазовый шум, а также увеличивая потребление тока, что зачастую неприемлемо для высококачественных приложений.
Напротив, производители пьезоэлектрических МЭМС, такие как Sand 9, устраняют дрейф, используя комбинацию методик, которая дает меньший джиттер и фазовый шум по сравнению с компенсацией посредством синтезатора. Во-первых, пьезоэлектрический МЭМС-резонатор, представляющий собой монолитный элемент, с обеих сторон ламинируют слоем диоксида кремния (SiO2), что делает элемент прочнее и на порядок уменьшает дрейф. Во-вторых, сопутствующая цепь генератора содержит аналоговый компенсирующий контур, который работает быстрее, чем цифровой синтезатор, а также добавляет намного меньше фазового шума и джиттера. Хорошо спроектированный МЭМС-генератор, например, выпускаемый компанией Sand 9, может иметь начальную точность, достигающую ±5 ppm, и превосходить кварцевые изделия по стабильности в температурном диапазоне от –40 до +85 °C (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Нормированный частотный дрейф компенсированного устройства компании Sand 9 сопоставим с дрейфом кварцевого генератора во всем диапазоне рабочих температур. |
Другим важным параметром является начальное смещение частоты относительно идеального «истинного» значения – неизбежный фактор производственного разброса. Решение, основанное на использовании синтезатора для компенсации дрейфа в электростатических МЭМС, также может быть адаптировано производителем устройств для калибровки начального смещения. Однако это приведет к дальнейшему увеличению джиттера и фазового шума, а также к росту потребляемого тока.
В противоположность этому, подход на основе пьезоэлектричества позволяет выбирать любой из трех вариантов коррекции начального сдвига частоты. Можно встроить синтезатор, или откалибровать МЭМС, – оба варианта применимы, в зависимости от требований приложения. Третий вариант заключается в том, чтобы оставить начальное смещение частоты таким, какое оно есть. Это работает, потому что существуют требующие точной синхронизации приложения, в цепи обработки сигнала которых уже имеются внешние или интегрированные в другую микросхему синтезаторы. Поскольку наивысшие параметры источника частоты являются основным приоритетом для многих разработок класса high-end, эти синтезаторы также могут корректировать начальное смещение частоты.
Для электростатической архитектуры характерна слабая связь между механическим и электрическим режимами, что приводит к неэффективному преобразованию энергии. Энергия, передаваемая электростатическим способом, примерно в сто раз меньше, чем при пьезоэлектрическом способе. В результате получается плохое отношение сигнал/шум и значительный джиттер и фазовый шум на выходе.
Чтобы компенсировать меньшее отношение сигнал/шум и улучшить характеристики, электростатическое устройство должно иметь больший размер или повышенное энергопотребление, или и то, и другое, поэтому законченное электростатическое устройство потребляет значительно больше тока, чем сопоставимое пьезоэлектрическое. Большой ток делает электростатическое устройство малопригодным для использования в приемопередатчиках сотовых сетей. К тому же, несмотря на значительное потребление тока, оно, все равно, не в состоянии обеспечить уровни джиттера и фазового шума, приемлемые для приложений, требующих точной синхронизации, например, для коммуникационного оборудования (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимости величины вектора ошибки от затухания для передатчиков LTE с МЭМС генератором компании Sand 9 и с кварцем демонстрируют сопоставимые характеристики, несмотря на различия в размерах и стоимости. |
Диапазон собственных частот является еще одной областью, где характеристики электростатических и пьезоэлектрических устройств сильно различаются. Доступные на сегодняшнем рынке типичные конструкции, основанные на электростатической технологии, достигают максимальной частоты порядка 48-50 МГц в режиме основной гармоники, в то время как пьезоэлектрические приборы, например, выпускаемые компанией Sand 9, могут работать на частотах 125 МГц и выше. Использование неосновных гармоник может расширить диапазон частот для электростатических устройств, но за это придется заплатить увеличением джиттера, фазового шума и отношения сигнал/шум.
В некоторых электростатических конструкциях диапазон собственных частот увеличивают путем уменьшения размеров основного элемента. Однако сокращение площади поверхности соответствующим образом ослабляет электромеханическую связь, что снижает энергоэффективность и увеличивает джиттер/фазовый шум. Заметим, что пьезоэлектрический резонатор, например, компании Sand 9, работая в паре с обычным генератором 1.8 В, может иметь фазовый шум –127 дБн/Гц (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Резонатор Sand 9 при совместной работе с обычным генератором 1.8 В может удовлетворять требованиям приемопередатчиков сотовых сетей, оборудования GPS/GNSS и устройств беспроводной связи. |
Заключение
МЭМС-генераторы являются качественной и инновационной альтернативой устройствам на основе кварца, традиционно использовавшимся в качестве источников синхронизации. Хотя оба подхода к реализации этих конструкций на МЭМС могут конкурировать с кварцем, они существенно различаются по своим возможностям и рыночному потенциалу.
Крупные достижения в области МЭМС-технологий в сочетании с преимуществами пьезоэлектрического подхода укрепляют позиции новых устройств в битве с кварцем. Генераторы на основе МЭМС могут обеспечить высокую стабильность, низкий уровень шумов, малое энергопотребление и более широкий исходный диапазон частот. Эти параметры являются критическими для многих приложений, требующих точной синхронизации. Кроме того, новые генераторы лишены многих недостатков кварцевых устройств.
