Osciladores MEMS SiTime de programación personalizada en DigiKey

Los osciladores de silicio MEMS (sistemas microelectromecánicos) se están convirtiendo cada vez más en la solución de temporización elegida por los diseñadores que desean que sus aplicaciones cumplan con estándares de calidad más altos. Esto va más allá de una mayor precisión de temporización para desarrollar productos que no se desgasten tan pronto, puedan manejar una variedad más amplia de condiciones de funcionamiento, tengan una mayor duración de la batería y sean de menor tamaño. Hasta ahora, SiTimees el líder en soluciones de temporización basadas en silicio, con una participación en el mercado del 90 % y más de mil millones de unidades entregadas.

Debido a su diseño y construcción, los osciladores MEMS son inherentemente superiores a los resonadores de cristal de cuarzo tradicionales. Partiendo de un proceso de fabricación más estandarizado y menos complicado, los osciladores MEMS presentan menos oportunidades de contaminación. Esto da como resultado un número de DPPM (piezas defectuosas por millón) y un MTBF (tiempo medio entre fallas) 30 veces mejores, es decir, mejor calidad y confiabilidad. También son mucho más robustos frente a la mayoría de las condiciones ambientales. Debido a que los osciladores MEMS no tienen conexiones PCB expuestas entre el resonador y el circuito oscilador, y porque los circuitos osciladores están optimizados para condiciones de ruido eléctrico, son mucho menos sensibles a la EMI (interferencia electromagnética). Además, debido a que su masa es miles de veces menor que la de los resonadores de cuarzo, son mucho menos sensibles a los golpes y las vibraciones. Las características de diseño similares los hacen menos sensibles a la temperatura de funcionamiento y al ruido de la placa.

Hay un beneficio evidente al utilizar resonadores de cuarzo, y es que son significativamente más baratos que los osciladores MEMS. Esto puede ser motivo suficiente para que muchos ignoren los numerosos beneficios descritos anteriormente y opten por el cuarzo, y no hay duda de que algunas aplicaciones simplemente no requieren componentes de la más alta calidad, confiabilidad y robustez. Sin embargo, uno debe asegurarse de considerar los costos que van más allá del costo inicial de las piezas. Primero, los resonadores de cuarzo requieren un mayor esfuerzo de ingeniería, no solo para elegir el resonador correcto, sino también para evitar y superar problemas comunes como fallas de arranque en frío, cristales no coincidentes, fallas de cumplimiento de la EMI, etc. Los osciladores MEMS, por otro lado, simplifican enormemente el diseño del sistema al ser “plug-and-play”, lo que significa que los problemas mencionados anteriormente no se aplican y se garantiza su puesta en marcha. Segundo, ya que ocupan un espacio más pequeño, tienen la capacidad de manejar múltiples cargas y no requieren condensadores de carga, los osciladores MEMS utilizan significativamente menos espacio en la placa y pueden tener un menor costo general de BOM (lista de materiales). Finalmente, los osciladores MEMS SiTime son programables, lo que aumenta su disponibilidad y les permite a los ingenieros ser más flexibles con sus diseños para lograr un tiempo de comercialización más rápido.

Al ser una solución de temporización completa, los osciladores SiTime tienen un resonador MEMS y un CI de CMOS (semiconductores de metal - óxido complementario) programable, que incluye el circuito oscilante, PLL (circuito de sincronización de fase), compensación de temperatura, reguladores de voltaje y filtros, en el mismo paquete. A diferencia de los resonadores de cuarzo, para los que se deben fabricar diferentes piezas para lograr diferentes frecuencias de resonancia, los osciladores MEMS se fabrican con lotes de osciladores programables en el campo, o “en bruto”, y luego se programan con diferentes configuraciones para producir diferentes frecuencias de salida. Muchos otros parámetros son configurables además de la frecuencia, incluido el voltaje de alimentación, la estabilidad de la frecuencia, la fuerza de tracción de salida (es decir, el tiempo de subida/bajada), etc. SiTime produce varias series de osciladores que cubren cada tipo de oscilador (p. ej., , TCXO, VCXO, DCXO, OCXO y SSXO) y varias categorías especializadas, tales como la de baja potencia, la automotriz, la reforzada, etc. Actualmente, hay docenas de opciones de series de osciladores y cientos de números de piezas en bruto disponibles. A partir de este conjunto relativamente pequeño de piezas en bruto, se pueden generar miles de millones de números de piezas.

Como ejemplo, considere el número de pieza en bruto SIT2001BI-S1-XXX-000.FP000, que es el oscilador SOT23 de serie estándar SiT2001 en el rango de temperatura industrial. El desglose del número de piezas para esta serie se muestra a continuación en la Figura 1. Observe que la frecuencia se puede seleccionar en un rango de 1 MHz a 110 MHz con seis decimales de precisión. Eso significa que 109,000,001 frecuencias totales pueden ser producidas por esta sola pieza física. Al considerar también las tres opciones para “Pin de características”, las seis opciones para “Voltaje de suministro”, las tres opciones para “Estabilidad de frecuencia” y las nueve opciones para “Fuerza de tracción de salida”, se puede afirmar que hay 52.974 mil millones de números de piezas posibles que pueden derivar de esta pieza en bruto.

Figura 1: La guía del número de piezas está tomada de la hoja de datos de la serie SiT2001B de osciladores SiTime. (Fuente de la imagen: SiTime)

SiTime puede programar estas piezas en bruto en la fábrica en volúmenes de producción con un tiempo de entrega de 3 a 5 semanas. Hasta este momento, DigiKey ha adquirido estas piezas preprogramadas de SiTime y ha mantenido stock en las configuraciones de osciladores más populares de cada serie. Esto no difiere de la forma en que tratamos las piezas no programables, como los resonadores de cuarzo, y funciona bien para los clientes que solicitan las configuraciones estándar de osciladores. Sin embargo, cualquier cliente que solicite una configuración personalizada tendría que esperar el tiempo de entrega de 3 a 5 semanas para un pedido sujeto a grandes cantidades mínimas. Cuando se realizan estas solicitudes personalizadas, los números de piezas se agregan a nuestro catálogo, pero generalmente no se mantienen en stock, ya que se solicitan con poca frecuencia. En el último recuento, DigiKey tenía 176,509 números de piezas diferentes para los osciladores SiTime en el sitio web, pero solo 5,913 de ellos (un exiguo 3.35 %) estaban en stock.

Para superar estos problemas y comenzar a aprovechar al máximo la programabilidad de los osciladores SiTime, recientemente hemos agregado una máquina de programación automatizada dedicada a la programación de piezas SiTime en nuestro almacén. Esta máquina (Figura 2) actualmente utiliza ocho tomas de programación y es capaz de programar aproximadamente 1,500 unidades por hora. La mayoría de los números de piezas en nuestro catálogo ahora se pueden pedir con plazos de entrega tan cortos como 24 a 48 horas sin cantidades mínimas. DigiKey simplemente almacenará las piezas en bruto de SiTime, en lugar de las preprogramadas de la fábrica, y las programará para su pedido. Esto también significa que ahora tenemos efectivamente stock en casi todos los osciladores SiTime en nuestro catálogo, salvo solo algunas series especiales que deben programarse en la fábrica. Dicho de otra manera, después de hacer el cambio a la programación personalizada, ahora tenemos stock en el 99 % de los osciladores SiTime en nuestro sistema, en comparación con solo el 3.35 %.

Tenga en cuenta que si bien el proceso de pedido de osciladores SiTime no ha cambiado, los pedidos personalizados ahora deben enviarse a través de lacategoría de Osciladores programables SiTime en el TechForum de DigiKey. Una vez que se envía una solicitud, se enviará un correo electrónico de inmediato a uno de nuestros técnicos de ingeniería de aplicaciones, que verificará el nuevo número de pieza y lo agregará al sitio web de DigiKey.

Figura 2: Una fotografía de la máquina de programación automatizada de DigiKey colocando un oscilador en bruto en una de las tomas de programación. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los osciladores MEMS de SiTime ofrecen una alternativa convincente a las soluciones de temporización tradicionales. No solo son de mejor calidad, más confiables y más robustos; sino que su diseño integrado y programable no conlleva altos costos de ingeniería, utiliza menos espacio en la placa y facilita una mayor flexibilidad de diseño. A partir de unos pocos cientos de números de piezas básicos que abarcan la colección completa de familias de osciladores, se pueden derivar miles de millones de números de piezas con configuraciones únicas. Aún así, sin un distribuidor que aproveche al máximo esta capacidad, solo las configuraciones estándar de osciladores estarán fácilmente disponibles. De hecho, antes de dedicar una máquina de programación automatizada a los osciladores SiTime, las configuraciones personalizadas poco comunes solo podían adquirirse en cantidades de producción con tiempos de entrega considerables. Pero ahora, con el envío rápido y la capacidad de programación personalizada de DigiKey, los clientes pueden obtener prácticamente cualquier configuración de osciladores SiTime, en cualquier cantidad y en cuestión de días.