32.768KHz振荡器如何应用在触屏设备

2024-07-10 17:44:01 13 0 0

MEMS(微机电系统)技术最早的商业应用之一是用于汽车安全系统中的传感器。MEMS技术已扩展到其他应用,包括手机麦克风和便携式游戏设备和平板电脑的加速度传感器和陀螺仪。现在MEMS技术已成功应用于各种电子系统中使用的谐振器、振荡器和时钟发生器等定时设备。MEMS硅晶振现在为使用触摸屏技术的系统带来了新的好处。触摸屏用于人机界面,已在许多设备中得到广泛应用,特别是在使用电容式触摸感应作为主要用户界面的便携式消费设备中。


MEMS硅晶振


振荡器、谐振器和时钟发生器用作时钟或定时参考源。典型的电子系统根据系统复杂度和子系统数量使用多个定时设备,如图1所示。


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图1:典型的触摸屏平板电脑设计中的MEMS振荡器


在具有触摸屏的设备中,屏幕覆盖有介电涂层材料。当用户触摸屏幕时,他们会改变电极电容并向系统处理器(MCU 或 SOC)发送信号。该信号由定时设备计时,如图 2 所示。


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图 2:用于触摸感应应用的 MEMS 计时 


几十年来,基于石英晶体的振荡器、时钟发生器和谐振器一直是电子设备中使用的主要参考定时组件。基于 MEMS 的振荡器、时钟发生器和谐振器现在正在迅速取代石英晶振。MEMS 硅晶振的使用日益增加,这是由于许多性能和供应链优势,包括适用于便携式触摸屏设备的以下好处。

 • 采用行业标准低成本塑料封装或超小型 CSP(芯片级封装)内的全硅芯片,占地面积更小,成本更低 

• 对冲击、振动和噪声具有免疫力,从而提高了系统性能和可靠性 

• 拥有各种特性的现成产品  


可靠且有弹性的系统  


带有触摸屏的产品通常用于恶劣和嘈杂的环境中。基于触摸屏的设备常用于具有振动和 EMI 的工业应用环境中,或在经历冲击和振动的便携式消费设备中。暴露于这些环境压力因素可能会影响系统性能。基于石英晶振易碎,并且已知存在可靠性问题。相比之下,硅 MEMS 振荡器非常可靠且有弹性,如下表所示。


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在某些环境中运行时,许多振荡器会性能下降,不符合数据表规格。由于独特的硅 MEMS 谐振器设计和模拟电路设计,SiTime 的硅 MEMS 振荡器在抗电磁干扰(EMI)、抗冲击和抗振动方面要强大得多,如下图所示。


SiTime 振荡器具有最佳的 EMS(电磁敏感性)性能,如图 3 所示。这是由于 SiTime 独特的振荡器设计,其内部采用差分架构,能实现最佳的共模噪声抑制。此外,静电驱动的 MEMS 谐振器本质上对 EMS 具有更强的免疫力。

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振动会使振荡器的性能下降。如图 4 所示,与其他振荡器相比,SiTime 振荡器对振动不太敏感。SiTime 谐振器的质量非常小(比石英谐振器小多达 3000 倍)以及其结构设计使其对诸如振动和冲击等外力具有极强的免疫力。

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与石英振荡器相比,SiTime 振荡器要强大得多。凭借专有的单点、中心锚定的 MEMS 谐振器设计,SiTime 振荡器能够承受至少 50,000 g 的冲击,并在冲击事件中保持其电气性能。


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降低电磁干扰


除了外部噪声外,内部系统噪声会降低触摸屏设备的性能。通过 SiTime MEMS 振荡器中的扩频调制或边沿速率调整功能可以降低电磁干扰噪声[2][3]。具有触摸感应系统的设备(如平板电脑)通常使用单端振荡器。在单端时钟信号中使用扩频调制是降低整个系统中主频率及其谐波电磁干扰的有效方法。扩频时钟,有中心扩展或向下扩展两种形式,通过在更大的频率范围内扩展频率来降低峰值电磁干扰辐射。


通过 MEMS 振荡器中的编程选项降低输出时钟的边沿速率也可以减少电磁干扰。在保持峰峰值时钟摆幅的同时,大多数谐波可以轻松降低超过 20 分贝。相比之下,典型的石英振荡器无法编程提供更慢的上升/下降时间。如果没有扩频或边沿速率控制,设计工程师就需要寻找其他更昂贵和耗时的解决方案,例如屏蔽、滤波或修改 PCB 布局来解决电磁干扰问题。


更小且可编程的定时解决方案


对于大多数便携式触摸屏设备来说,小尺寸至关重要。SiTime 提供 1.5×0.8×0.55H 毫米芯片级封装的行业最小 32kHz 时钟。由于 SiTime 的 32kHz 器件不需要电容器,与常见的 2.0×1.6 毫米 32kHz 晶体谐振器及其支持电容器相比,占用面积减少了高达 85%。


基于 MEMS 的 MHz 振荡器采用小巧的 2.0×1.6 毫米和 2.0×2.5 毫米行业标准低成本塑料封装。这些封装与石英晶振引脚兼容,可以直接替换。它们可以焊接到现有的电路板上,无需修改或重新设计 PCB。这为便携式设备制造商消除了第二货源问题。


SiTime 的 MEMS 振荡器具有可编程架构,允许产品轻松配置自定义频率,范围在 1Hz 至 625MHz 之间,精度高达六位小数。SiTime 振荡器还有其他可编程特性,包括广泛的电源电压和频率稳定性选项。这种可编程性使设计人员能够优化系统设计,并使 SiTime 能够在三至五周的极短交货期内提供最广泛的定时产品。这对于便携式消费产品的制造商来说尤其重要,因为这些产品的生命周期较短或有季节性需求。 


总结 


触摸屏平板电脑和智能手机的制造商必须在降低成本的同时不断改进功能和性能。MEMS 振荡器提供了满足这些需求的若干好处。

• 用于更薄更小终端产品的小封装 

• 可靠且坚固的组件,能够在包括手持产品所经历的温度、冲击和振动变化以及嘈杂环境等各种条件下维持高性能运行

• 可编程架构,实现广泛的功能和现成可用的产品 

• 成本最低的定时解决方案













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