Utilice osciladores TCXO basados en MEMS para obtener una sincronización precisa y estable en entornos adversos

Resumen técnico: En este artículo se analiza el uso de los osciladores compensados en temperatura (TCXO) SiTime SiT5346 en aplicaciones expuestas a fuertes golpes, vibraciones y cambios de temperatura. Se explica cómo los resonadores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) evitan varias limitaciones mecánicas asociadas a los dispositivos de cuarzo, al tiempo que proporcionan un rendimiento de sincronización estable. El análisis abarca entornos con vibraciones y golpes, la sensibilidad a la aceleración, la compensación de temperatura, la estabilidad de frecuencia, el ruido de fase y la desviación de Allan. A continuación, se presenta la familia SiT5346 y sus modos de funcionamiento programables, opciones de salida, tensiones de alimentación y rango de frecuencias. Un dispositivo seleccionado ilustra cómo estos osciladores pueden proporcionar una sincronización fiable para aplicaciones industriales, aeroespaciales, de defensa y de otro tipo que operan en condiciones ambientales exigentes. (Resumen cortesía de ChatGPT)

Los osciladores son componentes fundamentales en los sistemas electrónicos, ya que proporcionan señales de ajuste de frecuencia para enlaces cableados e inalámbricos, así como la sincronización para los relojes de los circuitos y los sistemas. Si bien los parámetros de rendimiento, como la precisión, la exactitud, la estabilidad y la sensibilidad a la aceleración, son importantes, mantenerlos en condiciones extremas resulta crucial para el sector aeroespacial, la defensa y otras aplicaciones que requieren una alta fiabilidad.

Los cristales piezoeléctricos tradicionales a base de cuarzo han prestado un buen servicio a la industria electrónica desde la década de 1940; sin embargo, para cumplir los requisitos de rendimiento y funcionalidad de los sistemas modernos y avanzados en entornos hostiles, es necesario adoptar un enfoque diferente en materia de sincronización que minimice las concesiones.

En este artículo se analizan los retos a los que se enfrentan los diseñadores, dado que los sistemas exigen un mayor rendimiento en cuanto a tiempos de respuesta en entornos extremos. A continuación, presenta los osciladores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de SiTime Corp y muestra cómo pueden alcanzar y mantener este rendimiento.

¿Por qué utilizar osciladores MEMS?

Desde su desarrollo inicial en la década de 1930, cuando cada unidad se fabricaba y ajustaba manualmente, los osciladores de cuarzo han avanzado en varios órdenes de magnitud en cuanto a rendimiento, tamaño, requisitos de alimentación, especificaciones mecánicas y técnicas de producción en serie. En el diseño básico, una pieza de cristal de cuarzo puro (a menudo denominada XTAL) se "estimula" para que oscile a su frecuencia mecánica de resonancia natural mediante el efecto piezoeléctrico y un circuito que funciona según un esquema de retroalimentación autorreforzada.

El oscilador (cristal más circuito de apoyo) puede generar frecuencias que van desde decenas de kilohercios (kHz) hasta cientos de megahercios (MHz). Sin embargo, las exigencias en cuanto a rendimiento y funcionalidad superan ahora lo que estas unidades pueden ofrecer sin que ello suponga un costo ni una complejidad adicionales.

Afortunadamente, la tecnología y los dispositivos MEMS ofrecen una alternativa viable y atractiva a los diseños basados en cuarzo. Esta tecnología se introdujo por primera vez en el mercado en la década de los noventa, donde se utilizaba en forma de acelerómetros para activar el inflado de los airbags. Los innovadores han ampliado esta tecnología de estado sólido basada en el silicio para crear numerosos tipos nuevos de sensores.

SiTime Corp ha aplicado la tecnología MEMS a los osciladores y dispositivos de sincronización, lo que le permite ofrecer un rendimiento que supera al de las unidades de cuarzo en múltiples aspectos, además de un tamaño mucho más reducido, una mayor resistencia y otras características muy apreciadas. Esta transición disruptiva es análoga a la que se produjo entre los tubos de vacío y los transistores; entre las máquinas de vapor y las locomotoras diésel; y entre los aviones de hélice y los motores a reacción, aunque es menos visible y menos conocida.

Empiece por los conceptos básicos sobre los dispositivos

El sector de los osciladores utiliza varios términos estándar para referirse a las distintas arquitecturas de osciladores, independientemente de la tecnología de fabricación. Entre los más importantes se encuentran el oscilador (XO), el oscilador compensado en temperatura (TCXO), el oscilador controlado por tensión (VCXO) y el oscilador controlado por horno (OCXO):

• Un XO básico es un dispositivo activo que combina el resonador y el circuito oscilador en un único encapsulado, sin compensación de temperatura. La denominación "XO" se ha utilizado desde los primeros tiempos de los diseños basados en cuarzo.
• Un TCXO incorpora una compensación de temperatura para corregir la relación entre la frecuencia y la temperatura del resonador.
• Un VCXO cuenta con un pin de control de tensión que permite al usuario o al circuito controlar ("desviar") la frecuencia de salida en una cantidad moderada en torno a la frecuencia nominal.
• Un OCXO proporciona compensación de temperatura mediante el uso de un horno que mantiene una temperatura casi constante para el oscilador, incluso cuando varía la temperatura ambiente.

Al igual que todos los componentes, los osciladores presentan especificaciones clave y parámetros de rendimiento, independientemente de su tecnología y arquitectura. Entre los parámetros clave del oscilador se incluyen la frecuencia nominal, la precisión inicial, la fluctuación de la señal de salida, el ruido de fase, el tiempo de arranque, la tensión de funcionamiento y su tolerancia, la corriente de funcionamiento y el tamaño. Los VCXO también cuentan con parámetros básicos adicionales, como el rango y la linealidad de ajuste.

Debido a su papel fundamental, los osciladores deben mantenerse estables a lo largo del envejecimiento a largo plazo y ante las inevitables variaciones de temperatura. Estas variaciones suelen expresarse en partes por millón (ppm) y en partes por mil millones (ppb).

Además, es necesario caracterizar los osciladores en cuanto a su rendimiento y resistencia ante impactos de evento único que van desde moderados hasta extremos, así como ante vibraciones continuas a distintos niveles de intensidad.

La solución de oscilador basada en tecnología MEMS de SiTime

Los osciladores de SiTime utilizan un enfoque radicalmente diferente al de los sistemas de sincronización clásicos basados en cristales. Estos osciladores utilizan tecnología y procesos MEMS, una tecnología basada en silicio, consolidada y contrastada en la práctica, que cuenta con décadas de experiencia en diseño, producción y aplicación práctica.

El diseño de SiTime utiliza un resonador MEMS acoplado a un circuito CMOS analógico (figura 1, parte superior) que integra múltiples funciones sofisticadas para la configuración, la compensación y la optimización del rendimiento (figura 1, parte inferior). Según SiTime, sus características respectivas son las siguientes:

Resonador MEMS

• Es extremadamente resistente a los golpes y las vibraciones gracias a su reducida masa
• Sellado herméticamente, sin contaminación alguna
• No se observa ningún mecanismo de fatiga con el paso del tiempo
• No existe riesgo de rotura bajo esfuerzo

Chip CMOS analógico

• Detección de la temperatura de alta precisión
• Compensación de temperatura de alto rendimiento
• Circuitos avanzados de señal mixta

Figura 1: Los osciladores de SiTime utilizan un diseño que combina un resonador MEMS con un circuito CMOS analógico (arriba); el circuito integra múltiples funciones sofisticadas para la configuración, la compensación y la optimización del rendimiento (abajo). (Fuente de la imagen: SiTime)

Empezar por la frecuencia

La frecuencia es la característica principal de un oscilador. Los osciladores de SiTime están disponibles en frecuencias que van desde varios cientos de kHz, para dispositivos de bajo consumo, hasta 725 MHz (las cifras exactas dependen de la familia de modelos elegida). En muchos modelos, la frecuencia se puede programar, dentro del rango del dispositivo, con una precisión de seis decimales. Una característica importante es que la frecuencia puede programarse de fábrica de tres formas distintas: mediante SiTime, a través de socios y distribuidores clave, o en el laboratorio del cliente utilizando un programador de osciladores cuando se requieran volúmenes reducidos o una sola unidad para la fabricación de prototipos y series piloto.

Esta sencilla capacidad de programación constituye una ventaja clave de los osciladores SiTime. Esto se consigue configurando el factor de división fraccionario N del bucle de sincronización de fase (PLL) en el oscilador básico. Esto contrasta notablemente con la forma en que se establece la frecuencia en los dispositivos basados en cristales, en los que el resonador individual suele sintonizarse a la frecuencia deseada mediante la ablación del electrodo metálico con un haz de iones, un proceso poco adecuado para los requisitos de producción rápida y de bajo volumen.

Rendimiento en función de la temperatura y la frecuencia

Las variaciones de la temperatura de funcionamiento afectan a los componentes electrónicos, especialmente a los osciladores, y suponen un reto incluso para los mejores diseñadores. Pueden reducir la deriva en las especificaciones clave de las unidades basadas en cuarzo mediante sistemas de compensación de circuitos o incluso utilizando un horno estabilizador en miniatura para crear un entorno con temperatura constante; sin embargo, estos elementos aumentan el tamaño, el peso y el consumo energético de la unidad y tienen una eficacia limitada.

Hay varios parámetros que determinan el rendimiento en cuanto a la frecuencia. El primero es la estabilidad de frecuencia, que consiste en la desviación de la frecuencia de salida debida a condiciones externas. Normalmente se expresa en ppm o ppb en relación con la frecuencia de salida nominal.

En segundo lugar, se encuentra la pendiente de la relación entre frecuencia y temperatura (figura 2). Se expresa como ΔF/ΔT y es la tasa de variación de la frecuencia por cada variación de 1 °C en la temperatura. Cuantifica la sensibilidad del oscilador ante pequeñas variaciones de temperatura en torno a la temperatura de funcionamiento. Cuando se combina con una variación de temperatura determinada, ΔF/ΔT puede utilizarse para estimar el error de frecuencia resultante en ppm o ppb.

Figura 2: La variación de la frecuencia por grado se utiliza para calcular el error de deriva de frecuencia, que suele expresarse en ppb en el caso de los dispositivos de alto rendimiento. (Fuente de la imagen: SiTime)

Gracias a los circuitos electrónicos integrados alrededor del resonador central, junto con un sensor de temperatura integrado, los osciladores SiTime pueden utilizar diversas configuraciones de circuitos para anular por sí mismos gran parte del error de deriva y compensarlo de forma activa, lo que mejora su rendimiento con respecto a las unidades de cristal.

Por ejemplo, la estructura DualMEMS utilizada en la familia Endura SiT5346 de Super-TCXO reforzados de SiTime ofrece un sistema de compensación de temperatura sin ruido eléctrico. Consta de dos resonadores MEMS fabricados sobre el mismo sustrato de matriz. Uno de los resonadores está diseñado para ofrecer una respuesta en frecuencia plana independientemente de la temperatura, mientras que el otro está diseñado para ser sensible a los cambios de temperatura. La relación de frecuencias entre estos dos resonadores permite obtener una lectura precisa de la temperatura del resonador con una resolución de 20 microkelvin (μK).

Al colocar los dos resonadores MEMS en el mismo chip, este sistema de detección de temperatura elimina el retraso térmico y los gradientes de temperatura entre el resonador y el sensor de temperatura, superando así una deficiencia inherente a los TCXO de cuarzo tradicionales.

No ignore los golpes ni las vibraciones

Aunque los dispositivos de SiTime puedan parecer frágiles, ocurre todo lo contrario. De hecho, los dispositivos basados en MEMS destacan por su resistencia a los golpes y las vibraciones. Esta característica resulta útil más allá de las aplicaciones extremas; casi todos los productos electrónicos sufren golpes y vibraciones a lo largo de su vida útil. La cuestión clave es qué grado de tolerancia a las vibraciones y a los golpes ofrece el oscilador sin dejar de funcionar dentro de los parámetros técnicos especificados.

Estas fuerzas de vibración (g) pueden oscilar desde el movimiento que experimentan los productos de consumo portátiles en los bolsillos o las mochilas hasta niveles muy elevados de g (aceleración), típicos de los lanzamientos de cohetes, los sistemas militares y aeroespaciales, la minería y la perforación, así como otros entornos industriales extremos (Tabla 1). Incluso los productos fijos en los edificios pueden sufrir vibraciones continuas provocadas por ventiladores cercanos, otros equipos o vehículos que pasan por las inmediaciones.

Los perfiles de aceleración pueden ser sinusoidales simples o aleatorios, por lo que los niveles variarán. En cualquier caso, incluso una vibración continua de baja intensidad puede afectar al rendimiento y a la fiabilidad.

Tabla 1: El rango de vibraciones que se dan en la vida real abarca varios órdenes de magnitud; incluso las vibraciones continuas de baja intensidad pueden afectar al rendimiento y a la fiabilidad. (Fuente de la imagen: SiTime)

El impacto plantea otra serie de retos. Los niveles de choque oscilan entre bajos y extremadamente intensos (Tabla 2). Al igual que en el caso de la vibración, los ensayos estándar utilizan distintos perfiles de choque, cuya intensidad viene determinada por factores como la aceleración máxima, la forma del pulso y la duración.

Tabla 2: Los distintos niveles de impacto a los que puede verse sometido un dispositivo abarcan muchos órdenes de magnitud. (Fuente de la imagen: datos recopilados por Bill Schweber)

La estructura del resonador SiTime se comporta como un resorte rígido y, por lo tanto, es muy resistente a la aceleración externa. Según SiTime, los modelos indican que se necesitaría una aceleración superior a un millón de g para que el resonador entrara en contacto con una superficie circundante. Esta estimación estructural no debe confundirse con la resistencia a los golpes, con las debidas salvedades, de un oscilador completo.

Una familia de productos SiTime y un dispositivo ilustran el rendimiento obtenido

La familia de osciladores Super-TCXO reforzados Endura SiT5346 está diseñada para aplicaciones aeroespaciales, de defensa y otras aplicaciones de alta fiabilidad que requieren una sincronización de precisión en condiciones de estrés ambiental prolongado. La tecnología de detección de temperatura DualMEMS y la función TurboCompensation garantizan la estabilidad ante corrientes de aire, gradientes térmicos, vibraciones, golpes e interferencias electromagnéticas (EMI).

Esta familia ofrece una estabilidad frente al sobrecalentamiento de ±100 ppb en el rango de temperaturas de -40 °C a +105 °C, una pendiente de frecuencia (ΔF/ΔT) de ±1 ppb/°C (Figura 3, izquierda), y una desviación de Allan de 1.5 ×10^⁻11 (Figura 3, derecha) con un intervalo de promediado de 10 segundos (s), todo ello en un encapsulado de 5.0 mm × 3.2 mm y 10 pines.

Figura 3: Los dispositivos de la familia Endura SiT5346 Ruggedized Super-TCXO presentan una desviación de frecuencia de unas decenas de ppb en un amplio rango de temperaturas (izquierda), además de una elevada estabilidad a lo largo del tiempo, medida mediante la desviación de Allan (derecha). (Fuente de la imagen: SiTime)

Su baja sensibilidad a la aceleración, que alcanza los 0.004 ppb/g (valor típico), reduce el ruido de fase provocado por las vibraciones hasta 20 veces en comparación con el cuarzo, lo que contribuye a minimizar las interrupciones de conexión y las caídas de llamadas en plataformas con un alto nivel de vibraciones. Una supresión del ruido de la fuente de alimentación de 0.2 picosegundos/milivoltio (ps/mV) elimina la necesidad de un regulador de baja caída de tensión específico (lo que supone una ventaja significativa para el diseño del circuito, la lista de materiales y el costo), mientras que la sintonización digital de la frecuencia a través de un puerto I²C corrige las variaciones de frecuencia a nivel de placa. El dispositivo se somete a un control al 100% mediante el proceso Endura y cumple con los requisitos de las normas MIL-PRF-55310 y MIL-STD-883, con un tiempo medio entre fallos (MTBF) de 1 × 10⁹ horas y una garantía de por vida.

La programabilidad de fábrica admite frecuencias de 1 MHz a 60 MHz, voltajes de alimentación de 2.5 V, 2.8 V, 3.0 V y 3.3 V, y varía entre ±6.25 ppm y ±3,200 ppm, lo que elimina los tiempos de entrega relacionados con el cuarzo y la NRE por configuración. Se ofrecen grados de estabilidad de ±0.1 ppm, ±0.2 ppm y ±0.25 ppm en los rangos de temperatura de -20 °C a +70 °C, de -40 °C a +85 °C y de -40 °C a +105 °C. La salida LVCMOS o de onda senoidal recortada optimiza el rendimiento de EMI y de fluctuación para cada diseño de sistema.

Los dispositivos SiT5346 pueden solicitarse en una de estas tres configuraciones básicas:

• TCXO básico con frecuencia de salida no ajustable (figura 4, izquierda)
• VCTCXO que permite el control de la frecuencia de salida mediante tensión (Figura 4, centro)
• El DCTCXO permite el control digital de la frecuencia de salida mediante una interfaz I²C, con una resolución ajustable hasta 5 partes por billón (ppt) (figura 4, derecha)

Figura 4: Los dispositivos de la familia SiT5346 pueden solicitarse configurados como un TCXO básico (izquierda), como un VCTCXO (centro) o como un DCTCXO I²C (derecha). (Fuente de la imagen: SiTime)

Las distintas aplicaciones tienen necesidades o preferencias específicas que requieren una configuración particular. Un análisis detallado de un modelo concreto de oscilador de esta familia, como el SIT5346AE-FQ033JHB40.000000F, junto con su formulario de pedido (Figura 5), pone de manifiesto la flexibilidad y las opciones disponibles.

Figura 5: Las opciones de pedido del oscilador SiT5346 muestran las numerosas variantes disponibles, además de la frecuencia de salida básica. (Fuente de la imagen: SiTime)

Según los datos del número de referencia, se trata de un componente de la revisión A con un rango de temperatura industrial ampliado, en un encapsulado de 5.0 mm × 3.2 mm. El modelo presenta una estabilidad de ±0.1 ppm, modo de dirección I²C, una tensión de alimentación de 3.3 V, control de activación de salida por software, un rango de desviación de ±200 ppm, una sensibilidad ultrabaja g de 0.009 ppb/g, una salida de 40 MHz y un encapsulado en cinta de corte de 12 mm.

Conclusión

Mantener el rendimiento en cuanto a sincronización en condiciones extremas resulta fundamental para el sector aeroespacial, el de la defensa y otras aplicaciones que requieren una alta fiabilidad. Para estos sistemas, los diseñadores pueden utilizar osciladores MEMS de la familia Endura SiT5346 de SiTime, unos Super-TCXO reforzados, que ofrecen una sincronización precisa y fiable, junto con una integración relativamente sencilla en el diseño, un tamaño reducido, una sensibilidad mínima a las interferencias electromagnéticas (EMI), una amplia variedad de opciones y plazos de entrega cortos desde fábrica.

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