您是否考慮過使用晶體振蕩器和MEMS振蕩器的實際成本?

作者： 揚興晶振 日期：2019-11-05 瀏覽量：

  在SiTime，我們聽到了許多客戶的電話，他們遇到晶體設計問題，例如冷啟動故障，晶體不匹配引起的振蕩器電路問題或無法通過EMI測試。這些問題會導致開發過程中工程成本超支，并可能導致成本高昂的質量問題。另外，延遲產品發布日期可能會導致失去寶貴的機會。在這里，我們分享了三種情況檢查了何時使用振蕩器和晶體的設計問題和閾值，當面對晶體設計問題時，客戶來到SiTime來降低他們的總體擁有成本。

  但是首先讓我們簡要介紹一下基礎知識……晶體(XTAL)和振蕩器(XO)有什么區別?晶體(有時稱為諧振器)是一種運動/諧振的無源設備，它連接到其定時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序解決方案，在一個有源器件中包含一個諧振器和一個振蕩器IC。就SiTime振蕩器而言，該諧振器基于硅MEMS(微機電系統)技術，而不是傳統的石英晶體。這種架構可實現強大的“即插即用”計時產品，這些產品具有靈活性，并且很容易在系統中進行設計。

  總擁有成本

  振蕩器具有易于解決的功能，因為它們包含的功能和特性可以解決常見且通常很困難的時序設計問題，如以下情況所示。這些示例基于Digi-Key針對具有相同輸出頻率，頻率穩定性和封裝尺寸的XTAL和XO的價格[1]。計時組件的價格加上解決該問題所需的工程工時成本(基于每小時50美元)。

  根據生產量和工程時間，每種情況都有不同的斷點。當數量大并且大批量分攤設計成本時，使用晶體進行設計的成本就會降低，這不足為奇。相反，當數量較少時，使用振蕩器的成本較低。但是這個故事還有更多。

  由于項目設計延遲而導致的機會成本未計入以下計算中，這在某些市場中可能是巨大的。在某些情況下，外部服務和測試會產生額外費用，而這些費用也可能是巨大的。此外，還有其他懲罰措施，例如，用于板子重新旋轉的附加材料/組件的成本，晶體所需的負載電容器的成本以及電容器所消耗的額外板子空間，所有這些都會使方程式更傾向于使用振蕩器。

  為簡單起見，在以下示例中，我們僅包括了計時組件的成本和糾正晶體問題的工程時間。

  1.晶振與振蕩器的成本–冷啟動失敗

  與晶體不同，MEMS振蕩器沒有啟動問題。在這種情況下，需要15個小時的工程工作來糾正晶體啟動問題。在這里，通過相對較快的解決方案，當產量約為2800單位或更少時，就可以實現使用MEMS振蕩器的成本優勢。

  2.晶振與振蕩器的成本–晶振不匹配會導致振蕩器故障

  由于振蕩器是一種集成解決方案(將諧振器和振蕩器IC組合在一個封裝中)，因此消除了匹配誤差。設計人員無需擔心晶體運動阻抗，諧振模式，驅動電平，振蕩器負電阻或其他配對注意事項。在這種情況下，需要40個小時的工程工作來糾正匹配問題，使使用振蕩器放樣的成本大約為8,000個單位或更少。

  3.晶振與振蕩器的成本– EMI合規性失敗

  時鐘通常是導致系統EMI(電磁干擾)的最大因素，它可能導致原型無法通過一致性測試。SiTimeMEMS振蕩器提供了多種技術，可快速輕松地降低EMI。一種這樣的技術是擴頻時鐘。另一個功能是FlexEdge?，這是一種可編程功能，用于調整時鐘信號的上升/下降時間(轉換速率)以降低EMI。

  另一方面，晶體沒有這些功能。如果設計人員需要使用屏蔽或在晶體中添加擴頻時鐘發生器IC，則會增加成本和電路板空間。另外，租用消聲室進行額外測試可能還會產生$3,000的費用。要重新設計電路板并進行重新測試，可能需要花費50個小時的工程工作，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試設施成本。

  底線–全面節省

  除了直接成本外，還有其他因素會影響晶體設計的成本。例如，振蕩器可以驅動多個負載。這意味著一個振蕩器可以代替多個晶體，而晶體只能為一個設備提供信號。

  此外，SiTime MEMS振蕩器基于可編程架構，可在很寬范圍內的任何頻率，穩定性和電壓下輕松使用。這為設計師優化設計提供了極大的靈活性。實際上，SiTime振蕩器可以由主要發行商甚至由自己實驗室中的客戶使用Time Machine II進行編程。

  如果需要更改規格，可編程性還可以減少鑒定工作的成本。節省時間的好處是可能的，因為MEMS振蕩器(在編程之前)可以生成數百萬個零件編號和規格組合，所有零件和零件都具有相同的基本零件。

  最大的間接節省之一可能是更高的可靠性和質量。與具有約2500萬MTBF的典型石英器件相比，SiTime MEMS振蕩器具有10億小時以上的MTBF(平均故障間隔時間)更高的可靠性。而且我們的設備所提供的質量低于2 DPPM，這是石英設備的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的存活率。

  較高的石英晶體故障率會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和更換成本。加上質量問題對公司聲譽的損害，可能會對公司的利潤產生巨大而持久的負面影響。

  使用振蕩器代替晶體可以在許多方面降低成本。當采購著重于降低組件成本時，請記住，從長遠來看，放眼全局將最終節省開支。

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