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在SiTime，我們聽到了許多客戶的電話，他們遇到晶體設(shè)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(fā)過程中工程成本超支，并可能導致成本高昂的質(zhì)量問題。另外，延遲產(chǎn)品發(fā)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(shè)計問題和閾值，當面對晶體設(shè)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(chǔ)知識……晶體(XTAL)和振蕩器(XO)有什么區(qū)別?晶體(有時稱為諧振器)是一種運動/諧振的無源設(shè)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(tǒng))技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的石英晶體。這種架構(gòu)可實現(xiàn)強大的“即插即用”計時產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有靈活性，并且很容易在系統(tǒng)中進行設(shè)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(shè)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(wěn)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(jù)生產(chǎn)量和工程時間，每種情況都有不同的斷點。當數(shù)量大并且大批量分攤設(shè)計成本時，使用晶體進行設(shè)計的成本就會降低，這不足為奇。相反，當數(shù)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(shè)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(wù)和測試會產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)量約為2800單位或更少時，就可以實現(xiàn)使用MEMS振蕩器的成本優(yōu)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(shè)計人員無需擔心晶體運動阻抗，諧振模式，驅(qū)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(guī)性失敗
時鐘通常是導致系統(tǒng)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(shù)，可快速輕松地降低EMI。一種這樣的技術(shù)是擴頻時鐘。另一個功能是FlexEdge?，這是一種可編程功能，用于調(diào)整時鐘信號的上升/下降時間(轉(zhuǎn)換速率)以降低EMI。
另一方面，晶體沒有這些功能。如果設(shè)計人員需要使用屏蔽或在晶體中添加擴頻時鐘發(fā)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(chǎn)生$3,000的費用。要重新設(shè)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(shè)施成本。
底線–全面節(jié)省
除了直接成本外，還有其他因素會影響晶體設(shè)計的成本。例如，振蕩器可以驅(qū)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(shè)備提供信號。
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)計師優(yōu)化設(shè)計提供了極大的靈活性。實際上，SiTime振蕩器可以由主要發(fā)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(guī)格，可編程性還可以減少鑒定工作的成本。節(jié)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(shù)百萬個零件編號和規(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(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(wù)和更換成本。加上質(zhì)量問題對公司聲譽的損害，可能會對公司的利潤產(chǎn)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(jié)省開支。
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