MEMS-генераторы вместо кварцевых: разработка, выпуск, стоимость

MEMS-генераторы вместо кварцевых: разработка, выпуск, стоимость

Выпуск 24 (6698) от 05 декабря 2019 г.
РУБРИКА: МEMS/NEMS

В статье рассматриваются различия между кварцевыми генераторами и MEMS-генераторами и приводятся примеры, которые показывают, что выбор кварцевых генераторов вместо аналогичных MEMS-приборов может увеличить общую стоимость проекта.

Вопрос реальной стоимости использования кварцевых генераторов в сравнении с MEMS-генераторами не выглядит первоочередным при выборе материала разработчиком, так как кварц кажется более дешевым. Однако после окончательного расчета общей стоимости разработки картина выглядит совсем иначе. Рассмотрим три ситуации, когда разработчикам необходимо было снизить общие затраты при решении проблем проектирования.


Как работают кварцевые и MEMS-генераторы

В чем разница между кварцевым генератором (XTAL) и MEMS-генератором (XO)? Кварцевый генератор (иногда называемый резонатором) представляет собой движущееся или резонирующее пассивное устройство, которое подключается к внешнему колебательному контуру в синхронизируемой микросхеме – ​такой как «система-на-кристалле» (SoC), микроконтроллер (MCU) или процессор (MPU) (слева на рис. 1).

Генератор, показанный справа на рис. 1, представляет собой интегрированное синхронизированное решение, которое содержит ИС резонатора и ИС генератора в одном активном приборе. Для некоторых генераторов резонаторы проектируются на основе кремниевой технологии MEMS вместо традиционной кварцевой технологии. Это позволяет создавать надежные синхронизирующие устройства, достаточно гибкие и очень легко интегрирующиеся в систему.



Источник: All about Circuits

Рисунок 1. Сравнение конструкции кварцевого резонатора и генератора


Общая стоимость разработки генераторов и резонаторов

Функциональные возможности и особенности MEMS-генераторов позволяют решать распространенные и зачастую довольно сложные проблемы, касающиеся сроков разработки (это будет показано на нижеприведенных примерах). К цене временной составляющей добавляется стоимость рабочих часов (из расчета 50 долл. в час), необходимых для устранения проблемы.

Нетрудно рассчитать, что чем выше объемы производства, тем меньше стоимость разработки с использованием кварцевых генераторов. И наоборот, стоимость использования MEMS-генераторов оказывается ниже при меньших объемах.

Однако в расчетах зачастую не учитываются дополнительные затраты из-за задержек при разработке проекта – ​при том что на некоторых рынках они могут достигать огромных масштабов, – и расходы на внешние услуги и тестирование. Кроме того, определенную стоимость имеют дополнительные материалы и компоненты, требующиеся для резонаторов нагрузочные конденсаторы, а также место на плате, потребляемое конденсаторами.


Пример 1: Ошибка запуска из холодного состояния

В отличие от кварцевых, MEMS-генераторы не имеют проблем при запуске. В данном примере для устранения проблемы запуска кварцевого генератора потребовалось 15 часов инженерных работ. Даже с учетом относительно быстрого исправления неполадок, использование MEMS-генератора становится рентабельным при объеме производства около 2800 единиц или меньше (табл. 1).


Таблица 1

Стоимость ошибки при запуске из холодного состояния

Объемы производства, ед.

Стоимость кварцевого генератора, долл. за шт.

Дополнительные расходы на проектирование кварцевого генератора, долл. за плату

Стоимость кварцевого генератора с учетом проектирования, долл. за плату

Стоимость MEMS-генератора, долл. за шт.

Экономия при использовании MEMS-генератора, долл. за плату

100

0,510

7,500

8,010

0,930

7,080

1000

0,403

0,750

1,153

0,669

0,484

3000

0,366

0,250

0,616

0,646

–0,030

  

Пример 2: Рассогласованный кварцевый генератор вызывает сбой MEMS-генератора

Поскольку MEMS-генераторы представляют собой комплексное решение (ИС, объединяющая резонатор и генератор), ошибки согласования исключаются. В рассматриваемом случае для исправления проблемы с согласованием потребовалось 40 часов инженерных работ, в результате чего использование MEMS-генератора становится рентабельным при объеме выпуска продукции около 8000 единиц или меньше (табл. 2).


Таблица 2

Стоимость рассогласованных кварцевых генераторов, вызывающих отказ MEMS-генератора

Объемы производства, ед.

Стоимость кварцевого генератора, долл. за шт.

Дополнительные расходы на проектирование кварцевого генератора, долл. за плату

Стоимость кварцевого генератора с учетом проектирования, долл. за плату

Стоимость MEMS-генератора, долл. за шт.

Экономия при использовании MEMS-генератора, долл. за плату

100

0,450

20,000

20,450

0,930

19,520

1000

0,400

2,000

2,400

0,669

1,731

3000

0,366

0,670

1,036

0,646

0,390

5000

0,366

0,400

0,766

0,612

0,154


Пример 3: Неудовлетворительный итог испытаний на EMI

Часы нередко становятся крупнейшим источником электромагнитных помех (EMI) в системе, и в результате прототип может не пройти испытание на соответствие требованиям по уровню EMI. Различные модели MEMS-генераторов предлагают несколько методов для быстрого и простого снижения EMI – ​например, синхронизацию с расширенным спектром. Ряд моделей генераторов имеют программируемую функцию для регулировки времени нарастания–спада (скорости нарастания) тактового сигнала для снижения уровня электромагнитных помех.

Кварцевые генераторы не имеют подобных функций, поэтому, если разработчики принимают решение использовать экранирование или добавить к кварцевому генератору микросхему тактового генератора с расширенным спектром, это увеличивает расходы и занимаемое на плате пространство. Кроме того, стоимость аренды безэховой камеры, необходимой для дополнительных испытаний, составляет в среднем еще 3000 долл., а перепроектирование и повторное тестирование платы может занять 50 часов инженерных работ. Исходя из этого использование MEMS-генераторов становится более выгодным при объемах выпуска 11000 единиц или менее, – ​даже без учета стоимости дополнительных материалов и испытательного оборудования, упомянутых выше.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Помимо прямых затрат, существуют и другие факторы, влияющие на стоимость проектирования с использованием кварцевых генераторов. Например, MEMS-генераторы способны регулировать несколько нагрузок. Это означает, что один MEMS-генератор может заменить несколько кварцевых генераторов, каждый из которых синхронизирует только одно устройство.

Кроме того, программируемая архитектура MEMS-генераторов позволяет с легкостью подобрать прибор с требуемой частотой, стабильностью и напряжением в очень широком диапазоне, что обеспечивает разработчикам большую гибкость при оптимизации проекта.

Пожалуй, самой большой косвенной выгодой становятся надежность и качество. MEMS-генераторы на кремниевой основе отличаются повышенной надежностью – ​более одного миллиарда часов среднего времени наработки на отказ (MTBF) – ​по сравнению с типичными кварцевыми приборами (примерно 25 млн MTBF). Кроме того, MEMS-генераторы обеспечивают уровень качества менее двух DPPM, что примерно в 30 раз лучше, чем у кварцевых генераторов, и гораздо более устойчивы к ударам и вибрации (рис. 2).



Источник: All about Circuits

Рисунок 2. Дополнительные преимущества использования MEMS-генераторов

* DPPM (defective parts per million) – количество бракованных деталей на миллион.

** MTBF (mean time between failures) – средняя наработка на отказ.


Повышенная частота отказов кварцевых генераторов способствует увеличению затрат во многих отношениях – ​например, это могут быть дополнительные затраты на анализ первопричины или дополнительные затраты на обслуживание и замену прибора.


Potvin Bruce. How Choosing Oscillators over Crystals Reduces Time to Market and Project Costs. All about Circuits, November 5, 2019: https://www.allaboutcircuits.com/industry-articles/how-choosing-oscillator-over-crystals-reduces-time-to-market-project-costs/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 8(6732) от 22 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.