Controlo de Frequência Superior com a integração das tecnologias CMOS e MEMS
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Por Simon Duggleby Category Marketing Manager RS Components
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A partir da metade dos anos 90, os osciladores de quartzo e os ressoadores de cristal de quartzo têm dominado o mercado das soluções de controlo de frequência. Mesmo nos dias de hoje, praticamente todos os equipamentos eletrónicos dependem direta ou indiretamente do cristal de quartzo para gerar, pelo menos, uma das numerosas frequências de funcionamento potenciais. Os osciladores de cristal (XO) são utilizados na grande maioria dos dispositivos eletrónicos existentes no mercado, desde amplificadores de guitarra a relógios, smartphones e empilhadoras.
Ao aproveitar as enormes economias de escala dos biliões de cristais utilizados no mercado eletrónico todos os anos, a produção de cristais de quartzo e os osciladores baseados em quartzo atingiu novos níveis de sofisticação que originou soluções com maior frequência, mais finas e mais pequenas. Só recentemente é que surgiram algumas alternativas viáveis, pois era difícil superar as características tão bem conseguidas e a estabilidade dos ressoadores piezoelétricos baseados em quartzo, que facilitam a construção de um oscilador de cristal (XO) com desempenho comprovado. No entanto, ao longo dos últimos anos, os osciladores baseados em MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) que imitam a arquitetura XO com dois componentes (ressoador e amplificador) entraram no mercado do controlo de frequência ao oferecer uma fiabilidade superior juntamente com benefícios de custos em todos os tamanhos e particularmente nos encapsulamentos pequenos, onde os modelos XO são mais dispendiosos. Além disso, com a introdução das soluções MEMS de um único chip, que nivela diretamente o ressoador MEMS na base do amplificador CMOS, conseguem-se melhorias na estabilidade da temperatura, facilidade de programação, fiabilidade e preço dos osciladores MEMS.
OSCILADORES DE CRISTAL Os osciladores de cristal foram concebidos para funcionar numa ampla gama de frequências, desde poucos kHz até milhares de MHz. Combinam um ressoador de quartzo com um circuito amplificador num encapsulamento cerâmico, hermeticamente selado, com tampa de metal. O encapsulamento e a tampa garantem um revestimento de grande proteção para o cristal que é muito frágil e evita danos na montagem dos componentes. A nível geral, o circuito do amplificador aproveita as propriedades piezoelétricas do cristal utilizando a retroalimentação elétrica para criar uma ressonância ou oscilação numa frequência específica em função do tamanho, corte e revestimento do ressoador de cristal. Para cobrir a ampla gama de frequências requeridas pela indústria eletrónica, os fornecedores de sistemas de controlo de frequência devem projetar, fornecer e fabricar cen-
tenas ou mesmo milhares de ressoadores de cristal personalizados. As soluções baseadas em cristal enfrentam os desafios da produção, além da personalização dos ressoadores. Os dispositivos portáteis representam uma grande percentagem do mercado de osciladores de cristal. Os dispositivos portáteis mais pequenos e finos exigem aos fornecedores componentes cada vez mais compactos. Isto supõe um problema para os osciladores de cristal, já que a limitação do tamanho do ressoador de quartzo em todas as frequências desejadas, complica a sua fabricação e põe em risco a fiabilidade tratando-se de cristais mais pequenos e mais frágeis. Além disso, em todos os mercados, uma questão importante para as soluções baseadas em cristais é a sua sensibilidade aos fatores ambientais como impactos, vibrações, stress térmico e desvios na produção de lote para lote, podendo originar problemas no arranque e as consequentes falhas no momento da produção.
RESSOADORES MEMS Ao longo dos últimos anos, os osciladores MEMS tornaram-se numa alternativa viável às soluções em quartzo por várias razões. A primeira está relacionada com o facto dos osciladores MEMS serem fabricados com silício em processos sujeitos a rigorosos controlos de qualidade, e as-
Figura 1. Experiência de alteração rápida de temperatura fria em XO, MEMS de primeira geração e CMEMS.
Figura 2. Circuito do ressoador CMEMS monolítico de Silicon Labs.
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logia avançada CMOS como uma única matriz monolítica. Os primeiros produtos CMEMS da empresa foram os osciladores MEMS concebidos para proporcionar garantias de fiabilidade e imunidade a impactos e vibrações durante 10 anos, uma ampla capacidade de programação para numerosas aplicações e um rendimento inigualável em ambientes de temperaturas flutuantes.
VANTAGENS DA MATRIZ MONOLÍTICA Na primeira geração de arquiteturas de osciladores MEMS de duas matrizes, utilizavam-se cabos de conexão entre a matriz de oscilação e a matriz do ressoador MEMS, o que aumentava os custos, complexidade e pontos de falhas no desenho modular de vários chips (MCM). Além disso, para esta primeira geração, os ressoadores MEMS são fabricados em fundições MEMS especializadas, localizadas na Europa, onde os custos de produção tendem a ser mais elevados do que na Ásia. Estes wafers de ressoadores MEMS são individualizados e, posteriormente, embalados com uma matriz CMOS standard, de fundições mais económicas localizadas no Extremo Oriente. Os osciladores CMEMS são fabricados numa base CMOS standard na segunda maior fundição do mundo, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). O ressoador CMEMS é fabricado diretamente sobre CMOS, utilizando germânio de silício (SiGe), um material amplamente utilizado e, portanto, bastante económico. Esta inovação no processamento permite que as soluções CMEMS possam ser obtidas a partir de um só fornecedor a um preço mais reduzido, já que se evita a acumulação de margens derivadas dos pagamentos
de múltiplos impostos no caso de vários implicados no processo. Também se evita o encapsulamento complexo de várias matrizes e cabos.
COMPENSAÇÃO DE TEMPERATURA Os osciladores CMEMS de um chip oferecem outras vantagens de rendimento em relação à arquitetura de duas matrizes. Pelas razões acima expostas, as arquiteturas de duas matrizes geram uma frequência suscetível às mudanças de temperatura. Como demonstrado na Figura 1, os principais osciladores de cristal, a primeira geração de osciladores MEMS e CMEMS de Silicon Labs, foram expostos a mudanças bruscas de temperatura para medir a estabilidade da frequência. O resultado ideal seria não haver alterações no valor 0 do eixo Y, significando que não haveria alterações na frequência pelas variações de temperatura. Enquanto os osciladores de cristal (XO) mostram desvios na frequência até ao dobro da tolerância garantida de 20 ppm, as soluções MEMS de primeira geração registam desvios de até 8 vezes a sua especificação de 20 ppm. Estas duas soluções estão em forte contraste com a solução CMEMS, que registou uma variação inferior a 1 ppm em relação à frequência pretendida.
DESCRIÇÃO DO OSCILADOR SI501 CMEMS A Figura 2 mostra a arquitetura de um chip dos osciladores Si50x CMEMS da Silicon Labs. A família de osciladores Si50x suporta qualquer frequência com resolução até seis dígitos entre 32 kHz e 100 MHz. Estes osciladores incluem quatro dispositivos base, configuráveis segun-
do o fornecimento de energia, o tempo de queda e subida, a estabilidade da frequência, a temperatura, etc. Os dispositivos são funcionalmente compatíveis com diversas soluções XO e MEMS de primeira geração e estão disponíveis em encapsulamentos de 4 pinos (2 mm x 2,5 mm, 2,5 mm x 3,2 mm e 3,2 mm x 5 mm). O oscilador Si50x suporta uma única frequência de temporizador num determinado momento. Os osciladores são segmentados segundo o número de frequências do temporizador que armazenam na memória integrada no chip. O oscilador Si501 suporta uma só frequência armazenada, graças à funcionalidade de ativação de saída (Output-Enable, OE). O Si502 armazena duas frequências que podem ser selecionadas com a funcionalidade de seleção de frequência (Fequency-Select, FS) e ativado/desativado com a funcionalidade OE. O Si503 armazena 4 frequências selecionadas com a funcionalidade FS e não admite a funcionalidade OE. O Si504 é um oscilador programável, controlado através de uma interface de um pino (C1D). Para obter mais informação sobre os osciladores Si50x, incluindo as especificações dos produtos, visite o website, www.silabs. com/CMEMS. Para maior flexibilidade, os dispositivos Si50x CMEMS podem ser encomendados com uma placa de programação de baixo custo e configurados rapidamente com algumas da configurações compatíveis. Isto permite desenvolver protótipos rapidamente ou testar os dispositivos CMEMS nos sistemas.
RESUMO Os osciladores Si50x CMEMS da Silicon Labs constituem uma ótima alternativa aos XO e osciladores MEMS de primeira geração. Os osciladores CMEMS oferecem uma estabilidade superior ao longo do tempo, garantida durante 10 anos de funcionamento, e também todas as vantagens de uma solução íntegra de silício com elevados níveis de imunidade a impactos e vibrações. Como todos os dispositivos de silício, os osciladores CMEMS oferecem preços atrativos, acrescentando o seu baixo custo ao seu impressionante conjunto de funcionalidades.