您是否考慮過(guò)使用晶體振蕩器和MEMS振蕩器的實(shí)際成本?

作者： 揚(yáng)興晶振 日期：2019-11-05 瀏覽量：

  在SiTime，我們聽(tīng)到了許多客戶(hù)的電話(huà)，他們遇到晶體設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如冷啟動(dòng)故障，晶體不匹配引起的振蕩器電路問(wèn)題或無(wú)法通過(guò)EMI測(cè)試。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)過(guò)程中工程成本超支，并可能導(dǎo)致成本高昂的質(zhì)量問(wèn)題。另外，延遲產(chǎn)品發(fā)布日期可能會(huì)導(dǎo)致失去寶貴的機(jī)會(huì)。在這里，我們分享了三種情況檢查了何時(shí)使用振蕩器和晶體的設(shè)計(jì)問(wèn)題和閾值，當(dāng)面對(duì)晶體設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，客戶(hù)來(lái)到SiTime來(lái)降低他們的總體擁有成本。

  但是首先讓我們簡(jiǎn)要介紹一下基礎(chǔ)知識(shí)……晶體(XTAL)和振蕩器(XO)有什么區(qū)別?晶體(有時(shí)稱(chēng)為諧振器)是一種運(yùn)動(dòng)/諧振的無(wú)源設(shè)備，它連接到其定時(shí)的芯片中的外部振蕩電路，例如SoC，微控制器或處理器，如左下方所示。

  右圖所示的振蕩器是一種集成的時(shí)序解決方案，在一個(gè)有源器件中包含一個(gè)諧振器和一個(gè)振蕩器IC。就SiTime振蕩器而言，該諧振器基于硅MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的石英晶體。這種架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的“即插即用”計(jì)時(shí)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有靈活性，并且很容易在系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

  總擁有成本

  振蕩器具有易于解決的功能，因?yàn)樗鼈儼墓δ芎吞匦钥梢越鉀Q常見(jiàn)且通常很困難的時(shí)序設(shè)計(jì)問(wèn)題，如以下情況所示。這些示例基于Digi-Key針對(duì)具有相同輸出頻率，頻率穩(wěn)定性和封裝尺寸的XTAL和XO的價(jià)格[1]。計(jì)時(shí)組件的價(jià)格加上解決該問(wèn)題所需的工程工時(shí)成本(基于每小時(shí)50美元)。

  根據(jù)生產(chǎn)量和工程時(shí)間，每種情況都有不同的斷點(diǎn)。當(dāng)數(shù)量大并且大批量分?jǐn)傇O(shè)計(jì)成本時(shí)，使用晶體進(jìn)行設(shè)計(jì)的成本就會(huì)降低，這不足為奇。相反，當(dāng)數(shù)量較少時(shí)，使用振蕩器的成本較低。但是這個(gè)故事還有更多。

  由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)延遲而導(dǎo)致的機(jī)會(huì)成本未計(jì)入以下計(jì)算中，這在某些市場(chǎng)中可能是巨大的。在某些情況下，外部服務(wù)和測(cè)試會(huì)產(chǎn)生額外費(fèi)用，而這些費(fèi)用也可能是巨大的。此外，還有其他懲罰措施，例如，用于板子重新旋轉(zhuǎn)的附加材料/組件的成本，晶體所需的負(fù)載電容器的成本以及電容器所消耗的額外板子空間，所有這些都會(huì)使方程式更傾向于使用振蕩器。

  為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在以下示例中，我們僅包括了計(jì)時(shí)組件的成本和糾正晶體問(wèn)題的工程時(shí)間。

  1.晶振與振蕩器的成本–冷啟動(dòng)失敗

  與晶體不同，MEMS振蕩器沒(méi)有啟動(dòng)問(wèn)題。在這種情況下，需要15個(gè)小時(shí)的工程工作來(lái)糾正晶體啟動(dòng)問(wèn)題。在這里，通過(guò)相對(duì)較快的解決方案，當(dāng)產(chǎn)量約為2800單位或更少時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)使用MEMS振蕩器的成本優(yōu)勢(shì)。

  2.晶振與振蕩器的成本–晶振不匹配會(huì)導(dǎo)致振蕩器故障

  由于振蕩器是一種集成解決方案(將諧振器和振蕩器IC組合在一個(gè)封裝中)，因此消除了匹配誤差。設(shè)計(jì)人員無(wú)需擔(dān)心晶體運(yùn)動(dòng)阻抗，諧振模式，驅(qū)動(dòng)電平，振蕩器負(fù)電阻或其他配對(duì)注意事項(xiàng)。在這種情況下，需要40個(gè)小時(shí)的工程工作來(lái)糾正匹配問(wèn)題，使使用振蕩器放樣的成本大約為8,000個(gè)單位或更少。

  3.晶振與振蕩器的成本– EMI合規(guī)性失敗

  時(shí)鐘通常是導(dǎo)致系統(tǒng)EMI(電磁干擾)的最大因素，它可能導(dǎo)致原型無(wú)法通過(guò)一致性測(cè)試。SiTimeMEMS振蕩器提供了多種技術(shù)，可快速輕松地降低EMI。一種這樣的技術(shù)是擴(kuò)頻時(shí)鐘。另一個(gè)功能是FlexEdge?，這是一種可編程功能，用于調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的上升/下降時(shí)間(轉(zhuǎn)換速率)以降低EMI。

  另一方面，晶體沒(méi)有這些功能。如果設(shè)計(jì)人員需要使用屏蔽或在晶體中添加擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器IC，則會(huì)增加成本和電路板空間。另外，租用消聲室進(jìn)行額外測(cè)試可能還會(huì)產(chǎn)生$3,000的費(fèi)用。要重新設(shè)計(jì)電路板并進(jìn)行重新測(cè)試，可能需要花費(fèi)50個(gè)小時(shí)的工程工作，因此使用MEMS振蕩器的體積大約為11,000或更少將更加有利。并且這不包括上述額外的材料和測(cè)試設(shè)施成本。

  底線(xiàn)–全面節(jié)省

  除了直接成本外，還有其他因素會(huì)影響晶體設(shè)計(jì)的成本。例如，振蕩器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。這意味著一個(gè)振蕩器可以代替多個(gè)晶體，而晶體只能為一個(gè)設(shè)備提供信號(hào)。

  此外，SiTime MEMS振蕩器基于可編程架構(gòu)，可在很寬范圍內(nèi)的任何頻率，穩(wěn)定性和電壓下輕松使用。這為設(shè)計(jì)師優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。實(shí)際上，SiTime振蕩器可以由主要發(fā)行商甚至由自己實(shí)驗(yàn)室中的客戶(hù)使用Time Machine II進(jìn)行編程。

  如果需要更改規(guī)格，可編程性還可以減少鑒定工作的成本。節(jié)省時(shí)間的好處是可能的，因?yàn)镸EMS振蕩器(在編程之前)可以生成數(shù)百萬(wàn)個(gè)零件編號(hào)和規(guī)格組合，所有零件和零件都具有相同的基本零件。

  最大的間接節(jié)省之一可能是更高的可靠性和質(zhì)量。與具有約2500萬(wàn)MTBF的典型石英器件相比，SiTime MEMS振蕩器具有10億小時(shí)以上的MTBF(平均故障間隔時(shí)間)更高的可靠性。而且我們的設(shè)備所提供的質(zhì)量低于2 DPPM，這是石英設(shè)備的30倍左右。加上SiTime MEMS振蕩器，與石英晶體相比，具有更好的抗沖擊和振動(dòng)的存活率。

  較高的石英晶體故障率會(huì)在許多方面增加成本，例如，根本原因分析所需的資源成本增加或額外的服務(wù)和更換成本。加上質(zhì)量問(wèn)題對(duì)公司聲譽(yù)的損害，可能會(huì)對(duì)公司的利潤(rùn)產(chǎn)生巨大而持久的負(fù)面影響。

  使用振蕩器代替晶體可以在許多方面降低成本。當(dāng)采購(gòu)著重于降低組件成本時(shí)，請(qǐng)記住，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，放眼全局將最終節(jié)省開(kāi)支。

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