Oscillatori Mems a bassissimo jitter

IDT –

I nuovi dispositivi piezo-Mems della serie 4H di IDT offrono un jitter di fase di soli 100 femtosecondi e impiegano contenitori di piccole dimensioni. La tecnologia pMems promette maggiore affidabilità e costi inferiori rispetto ai tradizionali quarzi.

L'aumento delle velocità di trasmissione nelle reti dati e nei sistemi di telecomunicazione - ad esempio la diffusione dei sistemi 10 Gigabit Ethernet e 40 Gigabit Ethernet - pone requisiti sempre più stringenti ai dispositivi utilizzati per generare il segnale di clock. I produttori di sistemi chiedono oscillatori caratterizzati in primo luogo da un jitter di fase inferiore, per aumentare l'“apertura dell'occhio” (con riferimento all'eye diagram) e quindi ridurre il Bit Error Rate; ma - per motivi che vedremo meglio nelle righe seguenti - desiderano anche la possibilità di effettuare una regolazione fine della frequenza di clock. Un'ulteriore esigenza riguarda l'aumento dell'affidabilità degli oscillatori, poiché attualmente il cedimento dei dispositivi al quarzo è - insieme a quello degli alimentatori - una delle principali cause di guasto a livello di sistema. I nuovi componenti, inoltre, devono ovviamente garantire anche il contenimento degli ingombri e dei costi. La californiana Integrated Device Technology intende rispondere a tutti questi requisiti con i propri oscillatori in tecnologia pMems (Mems piezoelettrici), ora giunti alla terza generazione, che coprono la gamma di frequenze compresa tra 50 e 625 MHz e si rivolgono a sistemi 10GbE, 40GbE, router, switch e storage racks. Ne abbiamo parlato con Harmeet Bhugra, responsabile della divisione Mems di IDT.

Un jitter di soli 100 femtosecondi
Come ha spiegato Bhugra, gli oscillatori pMems della nuova serie, denominata 4H, si caratterizzano in primo luogo per un bassissimo jitter di fase: circa 100 femtosecondi nella gamma di frequenza da 1,875 a 20 MHz (prevista dallo standard IEEE per i sistemi 10GbE) e meno di 300 femtosecondi nella gamma di frequenza da 12 kHz a 20 MHz (prevista dal vecchio standard per i sistemi Sonet OC-48). Il valore di 100 femtosecondi rappresenta, secondo IDT, un primato mondiale per quanto riguarda gli oscillatori in tecnologia Mems. Valori di jitter così bassi possono essere ottenuti anche con i tradizionali dispositivi al quarzo, che però - sostiene Bhugra - sono più costosi. Il portavoce della società ha sottolineato inoltre che per soddisfare i requisiti dei sistemi 10GbE sarebbe sufficiente un jitter di 300 femtosecondi, ma scendendo a 100 diviene possibile migliorare le prestazioni dei sistemi, in particolare il BER. Un altro aspetto qualificante dei nuovi dispositivi è l'impiego di contenitori particolarmente piccoli, fino al formato 3225-6L che misura.3,2 x 2,5 millimetri (gli altri contenitori disponibili sono il 7050-6L e il 5032-6L). Tra le altre caratteristiche tecniche degli oscillatori 4H vanno ricordate le uscite Lvds, Lvpecl e Cmos, che consentono la compatibilità con i dispositivi standard a sei piedini; l'alimentazione a 2,5 e 3,3 volt; e la gamma di temperatura industriale, da -40 a 85 gradi.

Regolazione fine della frequenza
Secondo IDT, una delle particolarità più interessanti dei nuovi oscillatori è il “frequency margining”, cioè la possibilità di regolare la frequenza generata fino a ±1000 ppm (parti per milione) rispetto al valore prescelto, in passi da 0,5 ppm. L'esigenza di regolazione fine è legata a una tecnica utilizzata oggi dai produttori di sistemi Ethernet, in particolari circostanze, per ridurre il numero di pacchetti persi. Questa tecnica, detta “plus Ppm clocking”, consiste nell'aumentare leggermente la frequenza di clock della scheda: ad esempio, nel caso di un sistema 10 Gigabit Ethernet, il valore standard di 156,25 MHz viene portato a 156,25391 MHz. Nel caso degli oscillatori al quarzo, la modifica della frequenza richiede ovviamente la fabbricazione di un nuovo dispositivo, con tempi di attesa che non consentono di utilizzare questa tecnica per risolvere i problemi in produzione. In generale, la regolazione fine della frequenza di clock serve per ottimizzarne il valore ai fini del Ber tenendo conto delle tolleranze di tutti gli altri componenti; in fase di test, inoltre, questa possibilità consente di semplificare la verificare della robustezza del sistema ai fini del Ber (margin testing). Bhugra ha sottolineato che i nuovi oscillatori IDT consentono di effettuare la regolazione “al volo”, in tempo reale e senza glitch, grazie a una semplice architettura digital toggle che non richiede di impostare registri interni.

Alta affidabilità
I nuovi oscillatori pMems di IDT offrono un'affidabilità molto elevata: secondo Bhugra, il miglioramento rispetto ai tradizionali dispositivi al quarzo - in termini di Mtbf - può raggiungere un fattore 40. Questa caratteristica può essere sfruttata, ha spiegato il portavoce di IDT, anche per realizzare sistemi capaci di funzionare a temperature più elevate senza peggioramenti dell'affidabilità complessiva. Oggi, infatti, i gestori dei data center desiderano risparmiare sulle spese di climatizzazione dei locali e quindi richiedono sistemi elettronici capaci di operare a temperature più alte. Un cenno, infine, al prezzo dei nuovi oscillatori, che - stando ai dati diffusi da IDT - è inferiore del 25% circa rispetto a quello di altri dispositivi a bassissimo jitter.

La tecnologia pMems
La tecnologia pMems utilizza il materiale piezoelettrico per il suo elevato accoppiamento tra interazione elettrica e meccanica, e un monocristallo di silicio per il suo alto fattore di qualità come massa vibrante (cioè per la sua alta selettività di frequenza). Grazie alle doti del silicio, infatti, il risonatore pMems offre un fattore di qualità Q superiore a 10.000. Scegliendo opportunamente il materiale piezoelettrico per la trasduzione tra i due domini energetici, è possibile fare a meno della polarizzazione (cioè di un'alimentazione esterna in tensione continua), che è invece necessaria per i risonatori Mems basati su trasduzione capacitiva. L'alto rapporto di trasmissione dell'energia, inoltre, consente di raggiungere valori di frequenza elevati. Secondo IDT, la tecnologia pMems offre una serie di vantaggi concreti rispetto ai tradizionali quarzi; tra essi le dimensioni estremamente ridotte, maggiore resistenza a shock e vibrazioni, maggiore stabilità della frequenza nel tempo, costo contenuto, una gamma di temperatura più ampia, maggiore varietà di funzioni realizzabili (PLL configurabili, moltiplicatori, divisori, uscite multiple ecc.). I pMems, inoltre, consentono di ridurre i costi e i tempi connessi alla preparazione del prodotto, poiché la frequenza di oscillazione viene impostata tramite una programmazione effettuata in fabbrica (non occorre una taratura con il laser). Per quanto riguarda le frequenze di oscillazione, la tecnologia pMems copre la gamma compresa tra 1 kilohertz e 1 gigahertz; anche questo valore così elevato viene ottenuto in modo “nativo”, cioè da un'oscillazione primaria non sottoposta a moltiplicazione. Sempre secondo IDT, la tecnologia pMems offre anche maggiore affidabilità rispetto ai risonatori Mems basati su trasduzione capacitiva.

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