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告别石英:全球首款无晶体无线MCU改进物联网设计

2020-05-13

从医用血糖、血压和血氧饱和度监测仪,到建筑自动化中使用的温度和烟雾探测器,再到建筑安全中使用的电子锁,无线微控制器(MCU)在监测和连接生活方面发挥着至关重要的作用。

因此,移动和分析大量数据仍然是商业和商务领域中一项重要的创新能力。无线MCU和无线网络对数据迁移至关重要。而通过物联网(IoT)设备传递最后一英里数据的能力是整个数据传递过程中的重要一环。

物联网构建块包括采用石英晶体的传感器。然而,用于实现无线连接的离散时钟和石英晶体设备开发成本高、耗时长、难度高,并且在工厂自动化或汽车应用中经常会受到环境压力的影响。

 

一种名为体声波(BAW)的新技术能在提高整体性能和降低成本的同时,让MCU变得更简便、更小巧。通过改变我们当前的系统设计方式,BAW可以让下一代工业和电信应用成为现实。

如图1(下图)所示,BAW由夹在两个电极之间的压电材料组成,它能将电能转换为机械声能,也能将机械声能转换为电能。压电材料的机械共振可为系统生成时钟。

图1:一种BAW压电材料。(图片来源:德州仪器)

 

德州仪器的SimpleLink CC2652RB MCU在无线MCU封装中集成了BAW技术,从而消除了对外部石英晶体的需求,这种晶体不仅体积大,而且设计成本高、耗时长。无晶体解决方案节省的空间在许多新兴应用中至关重要,例如医疗物联网设备。

与外部晶体MCU解决方案相比,SimpleLink C2652RB还能有效抵御各种加速力和机械冲击的干扰。 

 

BAW技术如何抵御机械冲击和振动

测量振动和冲击的两大重要参数是作用于物联网设备的加速力和振动频率。振动源无处不在:在移动的车辆、设备中的冷却风扇,甚至是手持无线设备中都能找到它的身影。重要的是,时钟解决方案提供的时钟非常稳定,可以有效抵御加速力、振动和冲击的干扰,这样一来,即便工艺和温度不断变化,也能在整个产品生命周期保持稳定。

振动和机械冲击通过引发噪声和频率漂移影响谐振器,从而逐渐降低系统的性能。在参考振荡器中,振动和冲击是导致相位噪声和抖动升高、频率偏移和出现峰值,甚至对谐振器及其封装造成物理损坏的两大常见原因。通常,外部干扰会通过封装耦合到微谐振器中,这会降低时钟的整体性能。

对所有无线设备而言,一大关键性能指标是保持发射机和接收机之间的链路并防止数据丢失。BAW技术无需使用晶体,因此为在恶劣环境下运行的物联网产品提供了显著的性能优势;此外,BAW技术还能稳定传输数据,提高有线和无线信号之间数据同步的精确度,并实现连续传输,从而大幅提高处理数据的效率。

 

BAW技术被评为高级工业标准

由于许多MCU会在易受冲击和振动的环境(如工厂和汽车)中工作,因此德州仪器已根据相关军用标准对CC2652RB进行了全方位测试军用标准(MIL)-STD-883H 2002试验方法旨在测试石英晶体振荡器的耐用性。本标准会将半导体器件置于在野蛮装卸、运输或现场操作时由突然力或运动突然变化而引发的中等或严重的机械冲击(加速度峰值为1500 g)下。此类冲击可能会干扰运行特性,或造成类似于过度振动导致的损坏,特别是在冲击脉冲反复出现的情况下。

图2所示为MIL-STD-883H的机械冲击试验装置,图3显示了CC2652RB与外部晶体解决方案相比的频率变化。从图中可以看出,最大频率偏差约为2 ppm,而外部晶体解决方案在2440 GHz时的偏差约为7 ppm。

图2:机械冲击试验装置和试验装置框图。(图片来源:德州仪器)

 

图3:对比BAW和晶体器件上的机械冲击引起的最大无线电(2440 GHz)频率偏差(百万分之一)。(图片来源:德州仪器)

 

结论

BAW技术通过减少部分关键设备(如医疗设备)所需的空间,使物联网应用于高冲击/振动频率的领域,它是物联网不断发展、持续演化的产物。未来,BAW技术将广泛应用于众多领域,让世界联系得更加紧密。

 

来源:MDDI