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您知道何时使用晶体或振荡器吗

三种情况检查设计问题以及何时使用振荡器和晶体的阈值

您是否考虑过使用晶体振荡器和MEMS振荡器的实际成本?当晶体的价格看起来如此便宜时,至少在表面上,这个问题可能不是您选择过程中的首要问题。但是,尽管晶体组件的成本通常较低,但是一旦计算出总设计成本,情况就大不相同了。

在SiTime,我们听到了许多客户的电话,他们遇到晶体设计问题,例如冷启动故障,晶体不匹配引起的振荡器电路问题或无法通过EMI测试。这些问题会导致开发过程中工程成本超支,并可能导致成本高昂的质量问题。另外,延迟产品发布日期可能会导致失去宝贵的机会。在这里,我们分享了三种情况,当面对晶体设计问题时,客户来到SiTime来降低他们的总体拥有成本。

但是首先让我们简单介绍一下基础知识……晶体(XTAL)和振荡器(XO)有什么区别?晶体(有时称为谐振器)是一种运动/谐振的无源设备,它连接到其定时的芯片中的外部振荡电路,例如SoC,微控制器或处理器,如下方所示。



振荡器与晶体
如图所示的振荡器是一种集成的时序解决方案,在一个有源器件中包含一个谐振器和一个振荡器IC。就SiTime振荡器而言,该谐振器基于硅MEMS(微机电系统)技术,而不是传统的石英晶体。这种架构可实现强大的“即插即用”计时产品,这些产品具有灵活性,并且很容易在系统中进行设计。

总拥有成本
振荡器具有易于解决的功能,因为它们包含的功能和特性可以解决常见且通常很困难的时序设计问题,如以下情况所示。这些示例基于Digi-Key对具有相同输出频率,频率稳定性和封装尺寸的XTAL和XO的定价。[1]计时组件的价格加上解决该问题所需的工程工时成本(基于每小时50美元)。

根据生产量和工程时间,每种情况都有不同的断点。当数量大并且大批量分摊设计成本时,使用晶体进行设计的成本就会降低,这不足为奇。相反,当数量较少时,使用振荡器的成本较低。但是这个故事还有更多。

下列计算中未考虑的因素是项目设计延迟导致的机会成本,这在某些市场可能会非常巨大。在某些情况下,外部服务和测试会产生额外费用,而这些费用也可能是巨大的。此外,还有其他惩罚措施,例如,用于板子重新旋转的附加材料/组件的成本,晶体所需的负载电容器的成本以及电容器所消耗的额外板子空间,所有这些都会使方程式更倾向于使用振荡器。

为简单起见,在以下示例中,我们仅包括了计时组件的成本和纠正晶体问题的工程时间。

1.晶振与振荡器的成本–冷启动失败
与晶体不同,MEMS振荡器没有启动问题。在这种情况下,需要15个小时的工程工作来纠正晶体启动问题。在这里,以相对较快的解决方法,当产量约为2800单位或更少时,就可以实现使用MEMS振荡器的成本优势。

2.晶振与振荡器的成本–晶振不匹配会导致振荡器故障
由于振荡器是集成解决方案(将谐振器和振荡器IC结合使用),因此消除了匹配误差。设计人员无需担心晶体运动阻抗,谐振模式,驱动电平,振荡器负电阻或其他配对注意事项。在这种情况下,需要40个小时的工程工作来纠正匹配问题,使使用振荡器放样的成本大约为8,000个单位或更少。

3.晶振与振荡器的成本– EMI合规性失败
时钟通常是导致系统EMI(电磁干扰)的最大因素,它可能导致原型无法通过一致性测试。 SiTime MEMS振荡器提供了多种技术,可快速轻松地降低EMI。一种这样的技术是扩频时钟。另一个功能是FlexEdge™,这是一种可编程功能,用于调整时钟信号的上升/下降时间(转换速率)以降低EMI。

另一方面,水晶没有这些功能。如果设计人员需要使用屏蔽或在晶体中添加扩频时钟发生器IC,则会增加成本和电路板空间。另外,租用消声室进行额外测试可能还会产生$ 3,000的费用。要重新设计电路板并进行重新测试,可能需要花费50个小时的工程工作,因此使用MEMS振荡器的体积大约为11,000或更少将更加有利。而且这还不包括上述额外的材料和测试设施费用。

底线–全面节省
除了直接成本外,还有其他因素会影响晶体设计的成本。例如,振荡器可以驱动多个负载。这意味着一个振荡器可以代替多个晶体,这些晶体只能为一个设备提供时钟。

此外,SiTime MEMS振荡器基于可编程架构,可在很宽范围内的任何频率,稳定性和电压下轻松使用。这为设计师优化设计提供了极大的灵活性。实际上,SiTime振荡器可以由主要发行商甚至由自己实验室中的客户使用Time Machine II进行编程。

如果需要更改规格,可编程性还可以减少鉴定工作的成本。节省时间的好处是可能的,因为MEMS振荡器(在编程之前)可以生成数百万个零件编号和规格组合,所有零件和零件都具有相同的基本零件。

最大的间接节省之一可能是更高的可靠性和质量。与具有约2500万MTBF的典型石英器件相比,SiTime MEMS振荡器具有10亿小时以上的MTBF(平均故障间隔时间)更高的可靠性。而且我们的设备所提供的质量低于2 DPPM,这是石英设备的30倍左右。加上SiTime MEMS振荡器,与石英晶体相比,具有更好的抗冲击和振动的存活率。

较高的石英晶体故障率会在许多方面增加成本,例如,根本原因分析所需的资源成本增加或额外的服务和更换成本。再加上质量问题对公司声誉的损害(通常难以量化),可能会对公司的利润产生巨大而持久的负面影响。

使用振荡器代替晶体可以在许多方面降低成本。当采购着重于降低组件成本时,请记住,从长远来看,放眼全局将最终节省开支。要了解更多有关振荡器的成本优势,请阅读我们的白皮书:使用振荡器而不是晶体谐振器的8大理由。


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