Kuvars bazlı olanların yanında, MEMS bazlı osilatörlerde ürün yelpazesi giderek genişlemektedir. Bu yazıdaki ikisi arasındaki farklar , hangi teknolojinin ne zaman seçilmesi gerektiği ve yeni olanın her zaman daha iyi olup olmadığı gibi soruların cevabını vermeye çalışacağız.
 |
| Kuvars Osilatörün Yapısı |
Osilatörler, mantık devreleri için uygun ve kare dalga şeklinde bir saat sinyali sağlarlar. Kompakt bir mahfazada, bir osilatör devresi için gereken tüm bileşenler birleştirilir ve birbirlerine en uygun şekilde uyumlu hale getirilirler. Kuvarslı ve ayrık (tekli olarak imal edilen ) bileşenli bir osilatör devresine kıyasla, devreyi optimize etmek için gereken ve oldukça maliyetli olan uyumlulaştırma gereksinimi ortadan kalkar. Bu nedenle, geliştirme döngüleri basitleştirilmiş ve kısaltılmıştır. Şimdi, zaman içinde kendini ispat etmiş olan kuvars bazlı osilatörlerin yanı sıra geliştiricilerin lehine olan ve gittikçe sayısı artan MEMS tabanlı alternatifler var. Ancak çeşitli makalelerde övülerek ön plana çıkarılan bu yüksek teknolojinin gerçekte sağladığı avantajlar nelerdir?
Teknik Esaslar
Bir kuvars osilatörünün kalbi kuvars kristalidir. Buradaki fiziksel temel prensip piezoelektrik etkidir: Eğer kuvars plakaya (silisyum dioksit, SiO2) elektriksel bir darbe akımı , metalik buhar bırakımlı elektrotlar vasıtasıyla uygulanırsa, kristal kafes yapısında şekil değişikliği meydana gelir.. Bu da elektriksel bir gerilime yani sinyale neden olan bir yük ötelenmesine neden olur. Bir invertörle (geri besleme) kuvvetlendirildiğinde, kristal yapı belirli koşullar altında rezonans frekansıyla salınmaya başlar. Bu frekans en başta malzeme sabitinin yanı sıra kuvars kristal lamelinin büyüklüğü, kalınlığı ve şekli ile belirlenir.
Bir MEMS osilatöründe, kuvars kristali yerine kuvarsın aksine piezoelektrik özellikte olmayan, polisilikondan yapılmış bir MEMS rezonatörü kullanılır. Rezonatör, silikon bir yonga plakası üzerinde özel bir yarı iletken prosesiyle üretilen mekanik bir yapıya dayanmaktadır. MEMS rezonatör yapısının yan duvarları ile dış sabit elektrotlar arasında bir kapasitans (sığa ) olur. Bir elektrik alan ile sadece 250 mikron büyüklüğündeki rezonatör yapısı salınıma geçmektedir . MEMS osilatörler her zaman dolaylı frekans üretimi ile çalışırlar. Bu amaçla, ASIC mimarisindeki bir osilatörün tipik olarak 100 Hz adım büyüklüğüne sahip olan ve 1 MHz ila 150 MHz aralığında çıktı frekansları üreten, programlanabilir bir PLL'si vardır.
Üstünlükler ve Zayıf Yönler
Kuvars osilatörlerinin olağanüstü güçlü yönlerinden biri, çok iyi kısa süreli stabilite (10-9 ila 10-11) , düşük faz gürültüsü ve düşük titreşmedir. Uzun yıllara dayanan tecrübeler göstermiştir ki , yüksek kaliteli kuvars osilatörlerinde uzun süreli stabilite , yaşlanma davranışı ve güvenilirlik açısından anmaya değer sapmalar ortaya çıkmamaktadır. Bu nedenle özellikle telekomünikasyon, veri iletimi, ses ve ölçme tekniği gibi alanlarda birçok uygulama için idealdir.
Ancak bir kuvars osilatör gerçekten her zaman mükemmel bir zamanlama sinyali üreteci midir? Gerçekten de kuvars osilatörler temel olarak salınım üretimi için kullanılan salınım kuvarsının bizzat yol açtığı bazı yapısal zayıflıklara sahiptir .Şok ve titretişim gibi mekanik yüklenme durumunda ve termal etkiler nedeniyle oluşan yüksek bir hassasiyet bunlardan biridir . Çok yüksek yüklenmeler kuvars kafesinde bir değişikliğe neden olur ve bu nedenle geri döndürülebilir olsa da genellikle geri döndürülmesi zor olan frekans sapmalarına neden olabilir. Ek olarak, bazı kuvars ürünler için, montaj sırasında ve aynı zamanda temizleme (örneğin ultrasonik banyo işlemi ) sırasında maruz kalınan mekanik yükleme kapasiteleri yönüyle de sınırlamalar söz konusudur.
 |
| Mems Tabanlı Osilatör |
Diğer bir zayıf yön , kuvars bazlı osilatörlerin üretimi ile ilintili olan nispeten yüksek üretim maliyetlerdir. Bir kuvars kristali neme ve kire son derece hassas tepki verdiğinden, imalat işlemi sırasında ortamın temizliği için çok yüksek standartlar uygulanır. Benzer şekilde, kuvars ve kuvars osilatörleri için özellikle yoğun, sağlam ve bu nedenle genellikle daha pahalı olan mahfaza türleri kullanılmalıdır ki genellikle günümüzde ürün maliyetlerinin büyük bir kısmını seramik mahfazalar oluştururlar.
Ayrıca, kuvars bazlı osilatör, tasarımların daha da minyatürleştirilmesi noktasında giderek daha çok fiziksel ve yapısal sınırlamalarla karşılaşmaktadır. Bir kuvars kristali, azalan frekansla artan bir kalınlığa sahiptir. 10 MHz'nin altında, salınım kuvarsı genellikle kuvarsın ve benzer şekilde osilatör mahfazası boyutu için belirleyici faktör haline gelir. Bununla birlikte, geçmişte bu problem en azından osilatörler söz konusu olduğunda dolaylı frekans üretimi ile çözülebiliyordu . Kuvars, küçük boyutlara ve elverişli elektriksel özelliklere sahip olmasını sağlayan ortalama bir frekansa (örneğin 25 MHz) sahiptir . Arzu edilen çıkış frekansı daha sonra bu frekansı çarparak ya da örneğin bölerek üretilir. Bunun için sadece , çoklayıcı gibi bir bölücüye ya da programlanabilir bir PLL ‘e sahip bir osilatör- ASIC gereklidir.
MEMS osilatörleri de çoğu standart uygulama için oldukça uygundur. Bununla birlikte, nispeten yüksek bir faz gürültüsüne ve yüksek bir faz titreşimine sahip olabileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Eğer bir osilatörün frekansı PLL vasıtasıyla üretiliyorsa çıkış sinyali özellikle doğrudan sadece kuvars temelli gerçekleştirilen frekans üretimine nazaran genellikle daha yüksek faz titreşimi gürültüsü ve aynı şekilde faz titreşimi değerlerine sahiptir. Tabii ki, bu durum aynı ASIC osilatörü daima PLL tabanlı olarak işlev gören MEMS osilatörleri için de geçerlidir. Yine de sektörde zaman zaman faz titreşimi özellikleri diğer PLL osilatörleri ve hatta kuvars bazlı osilatörler ile rahatlıkla boy ölçüşebilir sofistike ASIC / PLL cihazları da kullanıldığı görülmektedir. Ancak, hassas TXCO (ısı kompanzasyonlu kristal osilatör )'ların ve OCXO (sabit ısı odalı osilatör )'ların frekans kararlılığı ve sinyal kalitesine henüz yaklaşabildikleri söylenemez.
Ancak osilatör seçiminde, MEMS osilatörleri için, kendisini ispat etmiş olan kuvars osilatörlerinin aksine, uzun vadeli bir kullanıma ait tecrübenin hala eksik olduğu göz ardı edilmemelidir. Örneğin, geçen yıl Illinois’deki Morris Hastanesinde Apple iOS cihazları için olağandışı arıza bildirimleri meydana gelmişti. Bu olayda bir manyetik rezonans tomografi cihazı değiştirilirken büyük miktarda sıvı helyum serbest kaldı. Görünüşe göre, uçucu özellikteki soy gaz burada Apple tarafından küçük boyutlarından dolayı tercih edilmiş olan MEMS osilatörlerini etkisiz hale getirmişti. Illinois'deki MRI uygulamasında bu gazdan etkilenen cihazların çoğu artık işe yaramaz hale gelmişti öyle ki basit bir şarj işlemi bile gerçekleştirilemedi. Diğerleri, WLAN çalışırken LTE ve UMTS bağlantısı kurmadan sorun yaşadı. Aslında, bu sorun Apple tarafından biliniyor ve iPhone'un kullanım kılavuzunda, akıllı telefonun yakınında helyum gibi sıvılaştırılmış gazların buharlaşmasından kaçınmanızı öneren bir uyarı bile bulabiliyorsunuz. Buna karşılık Çoğu kuvars osilatörünün kullanıldığı Android telefonlarda helyumun hiçbir etkisi yoktur.
