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MEMS振荡器提高医疗设备性能和可靠性

MEMS振荡器提高医疗设备性能和可靠性

 

基于MEMS的时序解决方案的优势:

·灵活性 - 可编程架构,总是现场可编程器件,生产周期短

·Featurerich - 特殊的功能和特性,例如扩频和可编程驱动强度以减少EMI

·坚固可靠 - 20倍以上的可靠性,54倍的抗电磁干扰能力,高达30倍的抗振动能力,高达25倍的抗冲击能力

·小尺寸 - 可用于各种行业标准封装,包括2016年小包装,与石英针脚兼容,便于更换

·低功耗 - 便携式设备的低功耗和其他省电功能

·拥有低成本 - 更低的价格与硅成本轨迹,更长的时间储

由于特殊要求(例如电磁兼容性)和电子医疗设备的多样性,MEMS时序的采用在医疗行业中越来越重要。 从诊断和监测仪器到治疗设备,这些应用往往具有高度特异性并且通常很复杂,而且它们需要灵活可靠的解决方案。

 

 

现场可编程架构

正如在医疗应用中越来越多地使用FPGA所证明的那样,定制和现场可编程性对于满足各种医疗电子行业的设计需求至关重要。除了满足特定的设计要求外,可编程解决方案还能加速设计和测试周期的各个阶段。可编程时序组件提供了类似的好处。与石英振荡器相比,这些振荡器仅在选择的频率,电压和稳定性规格中可用,基于MEMS的振荡器采用可编程架构设计,可以将这些规范组合使用。

MEMS振荡器由一个与模拟振荡器IC封装在一起的MEMS谐振器芯片组成。针对不同应用需求的不同类型的MEMS谐振器如图1左侧所示.MEMS谐振器连接到模拟IC上的MEMS专用电路模块 并通过静电激励来驱动。

 

1:SiTime基于MEMS的振荡器的可编程架构

输出频率通过使用位于模拟振荡器芯片上的小数N PPL(锁相环)来配置和生成。 频率范围从1 Hz到650 MHz,精度为6位小数。输出驱动器支持可配置的驱动强度。片上一次可编程(OTP)存储器用于存储编程的参数。

 

现场可编程时序解决方案

现场可编程(FP)振荡器(例如SiTime提供的振荡器)可以实现快速原型设计和实时定制功能。 FP振荡器有多种工业标准封装尺寸可供选择,并可使用MEMS振荡器编程器进行精确配置。请参阅下表以了解可用选项(部分列表)。

 

 

 

 

 

通过使用编程器和FP器件,设计人员可以即时编程器件工作范围内的任何频率,稳定性和电源电压。输出驱动强度也可以配置。另外,VCXO器件的拉程可以从±25到±1600 ppm进行编程。凭借定制的频率和功能,这些可编程解决方案可以优化系统设计,同时显著缩短设计和开发时间

 

MEMS振荡器编程器

Time Machine II™是SiTime的低成本MEMS振荡器编程器。这款小巧耐用的程序非常适合在实验室或设计师的桌面使用。该编程器与所有PC和MicrosoftWindows®兼容,通过USB电缆连接到PC,该USB电缆也可为其供电。

为了对器件进行编程,将FP振荡器插入插座卡。通过输入零件号或使用内置零件号生成器(见图2)来指定所需的配置。接下来,用户点击程序并且部件在少于五秒内被编程。

编程器套件安装在DVD便携箱中,包含一个基本编程器,插座卡,包含FP振荡器的样本包,软件以及编程设备所需的所有附件。

 

 

 

可编程驱动强度可减少电磁问题

由于电磁干扰(EMI)会导致医疗设备故障并导致严重后果,因此电磁兼容性(EMC)是医疗电子设备中的一个主要问题。符合EMC标准,如IEC 6060112 在世界大部分地区都是强制性的。本标准主要侧重于抗外部EMI的EMI抗扰度,但也涉及设备内部的电磁辐射。通过使用MEMS振荡器,可以减少这两类EM问题(辐射和抗扰度)。

时钟是连续EMI噪声的主要来源(发射器)。方波时钟的频谱由基音和高次谐波组成。屏蔽和过滤是常见的技术,用于尽量减少EMI的影响,但这会消耗电路板空间,增加成本和复杂性,并且对于某些医疗设备,可能无法保护整个系统。降低时钟发出的能量水平是一种有效的减少干扰的技术。这可以通过使用SiTime的扩频振荡器或使用所有SiTime振荡器提供的可编程驱动强度功能来实现。

 

 

3:较慢的上升/下降时间的函数的谐波EMI降低

可编程驱动强度为优化特定应用的时钟上升/下降时间提供了一种简单方法,包括通过减缓上升/下降时间来提高系统辐射EMI的能力。图3显示了上升/下降时间为 增加(减缓)。上升/下降时间表示为时钟周期的比率。对于0.05的比例,信号非常接近方波。对于0.45的比率,上升/下降时间非常接近于近三角波形。例如,这些结果表明,如果上升沿/下降沿从周期的5%增加到周期的45%,则第11个时钟谐波可以减少35 dB。

SiTime的扩频振荡器(见第3页的表格)是降低EMI的另一种选择。 这些振荡器具有可配置的扩展选项,中心扩展百分比(调制限制)为±0.25%,±0.5%,±1.0%或±2.0%,下行扩展百分比为0.5%,1.0%,2.0%或4.0%。通过调制时钟频率随时间缓慢变化,基频和谐波频率中的峰值频谱能量都会降低。

SiTime的振荡器采用与石英振荡器兼容的行业标准封装。作为石英产品的下拉式替代产品,如果在设计周期后期出现EMC问题,SiTime振荡器可以轻松使用。他们可以帮助通过环境测试,无需更换任何电路板或使用其他昂贵的组件。欲了解更多信息,请参阅SiTime振荡器上升和下降时间。选择应用笔记[1]和SiTime扩频时钟振荡器应用笔记[2]。

 

强大而可靠的时序解决方案

随着医疗技术的进步和应用的多样化,使用医疗设备的环境变得更加多样化。无论是在电子设备和无线通信增加的临床环境中,还是在随着便携式和家庭医疗保健设备使用日益增加的领域,医疗设备都必须可靠并能够承受广泛的运行环境。MEMS振荡器具有更高的可靠性和鲁棒性,这相对于石英产品具有重要的优势。SiTime的MEMS时序器件具有硅级可靠性,抗机械冲击和振动的更好的鲁棒性以及更好的抗EMI性能。

硅在本质上比石英更可靠,如图4所示。SiTime的MEMS谐振器采用先进的EpiSeal™工艺进行真空密封,消除了外来粒子并提高了可靠性。

 

 

SiTime振荡器对EMI和电源噪声非常敏感,因此它们非常适合于在其他设备,电源或其他电磁能源附近工作的医疗设备。如图5所示,SiTime振荡器具有最佳(最低)EMS(电磁敏感性)。这是由于独特的振荡器设计和MEMS谐振器结构。差分结构和片上调节器还使SiTime振荡器对电源噪声的响应更加灵活,如图6所示。与更大的石英谐振器相比,极小的SiTime谐振器尺寸最大限度地减小了天线拾取效应。此外,SiTime的MEMS谐振器采用静电驱动,因此与压电驱动的石英器件相比,它本质上不受EMI影响。

 

 

SiTimeMEMS谐振器设计具有内在的抗冲击和振动的能力。谐振器的非常小的质量和结构设计使其非常不受机械加速等外力的影响。图7显示了各种振荡器的ppb/g性能,图8显示了500g冲击时的频率偏差。SiTime振荡器(SiT9120)与SAW和第三泛音石英振荡器相比,在震动和振动测试中表现出最佳性能。

 

 

结论

医疗保健行业的趋势已经形成了对各种经济实惠和可靠的医疗设备的需求,从而改善了患者的诊断和治疗。 医疗设备设计人员和制造商需要灵活而强大的功能丰富的组件来应对当今的设计挑战。 来自SiTime的现场可编程MEMS振荡器是医疗设计的理想选择 - 它们提供更高的可靠性,更好的抗冲击,振动和EMI弹性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本。采用Time Machine II编程器的任何规格都立即提供样品,生产量的交货期很短。作为石英振荡器的下拉式替代品,SiTime的MEMS振荡器正在迅速取代传统石英。

 


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