適用于醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)場可編程晶體振蕩器定時方案白皮書
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年05月22
適用于醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)場可編程晶體振蕩器定時方案白皮書
醫(yī)療領(lǐng)域在這幾年越來越受到重視,尤其是今年年初疫情過后,人們更加意識到健康和醫(yī)療的重要性,遇到像新冠肺炎這樣的超大疫情,除了自覺居家隔離之外,健全強(qiáng)大的醫(yī)療體系才是根本.隨著現(xiàn)在科技越來越高,用于醫(yī)療器械和醫(yī)療設(shè)備身上的技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍,這幾年陸陸續(xù)續(xù)將AI+醫(yī)療結(jié)合,更精確的檢查病情和治療.要實現(xiàn)智能醫(yī)療系統(tǒng),軟實力和硬實力都要有,以下是SiTime晶振公司提供的專門用于醫(yī)療模塊的,現(xiàn)場可編程MEMS振蕩器定時的方案.
參考定時組件(例如諧振器和振蕩器)用于電子醫(yī)療設(shè)備中,以將所有信號同步到時鐘源.從某種意義上說,它們提供了系統(tǒng)的心跳.傳統(tǒng)的計時組件基于石英晶體,與更新的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))計時組件相比,石英晶體固有地不靈活.靈活且功能豐富的基于MEMS的計時產(chǎn)品正迅速取代石英,因為它們具有以下優(yōu)點(diǎn):更高的可靠性和耐用性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本.
基于MEMS的時序解決方案的優(yōu)勢:
●靈活性–可編程的體系結(jié)構(gòu),始終有現(xiàn)貨的現(xiàn)場可編程設(shè)備,生產(chǎn)周期短.
●功能豐富–特殊功能和特性,例如擴(kuò)頻和可編程驅(qū)動強(qiáng)度,可降低EMI.
●堅固耐用-可靠性提高20倍,抗EMI強(qiáng)度提高54倍,抗振動能力提高30倍,抗沖擊能力提高25倍.
●外形小巧–提供多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝,包括2016年小型SMD晶振封裝,與石英引腳兼容,可輕松進(jìn)行即插即用.
●低功耗–便攜式設(shè)備的低功耗和其他省電功能.
●擁有成本低–硅成本軌跡降低了價格,節(jié)省了更多的長期成本.
由于特殊要求(例如,電磁兼容性)和電子醫(yī)療設(shè)備的多樣性,MEMS定時的采用在醫(yī)療行業(yè)中變得越來越重要.從診斷和監(jiān)視儀器到治療設(shè)備的這些應(yīng)用往往具有很高的特異性,而且往往很復(fù)雜,因此需要靈活,強(qiáng)大的解決方案.
現(xiàn)場可編程架構(gòu):
正如在醫(yī)療應(yīng)用中FPGA的日益使用所證明的那樣,定制和現(xiàn)場可編程性對于滿足多樣化醫(yī)療電子行業(yè)的設(shè)計需求至關(guān)重要.除了滿足特定的設(shè)計要求之外,可編程解決方案還可以加快設(shè)計和測試周期的所有階段.可編程定時組件具有類似的好處.與僅在特定頻率,電壓和穩(wěn)定性規(guī)格中可用的石英振蕩器不同,基于MEMS的振蕩器采用可編程架構(gòu)設(shè)計,可以實現(xiàn)這些規(guī)格的任意組合.
圖1:SiTime的基于MEMS的振蕩器的可編程架構(gòu)
通過使用位于模擬振蕩器芯片上的小數(shù)NPPL(鎖相環(huán))來配置和生成輸出頻率.頻率范圍為1Hz至650MHz,精度為6位小數(shù).輸出驅(qū)動器可實現(xiàn)可配置的驅(qū)動強(qiáng)度.片上一次性可編程(OTP)存儲器用于存儲編程參數(shù).
現(xiàn)場可編程定時解決方案:
現(xiàn)場可編程(FP)振蕩器,例如SiTime的振蕩器,可實現(xiàn)快速原型設(shè)計和功能的實時定制.FP振蕩器具有廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸,并且可以使用MEMS振蕩器編程器配置為嚴(yán)格的規(guī)格.通過使用編程器和FP設(shè)備,設(shè)計人員可以立即對設(shè)備工作范圍內(nèi)的任何頻率,穩(wěn)定性和電源電壓進(jìn)行編程.也可以配置輸出驅(qū)動強(qiáng)度.此外,VCXO晶振器件的拉范圍可設(shè)置為±25至±1600ppm.這些可編程解決方案具有定制的頻率和功能,可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,同時還可以大大減少設(shè)計和開發(fā)時間.
MEMS振蕩器編程器:
SiTime MachineII™是SiTime的低成本MEMS振蕩器編程器.小型耐用的編程器非常便于攜帶,可在實驗室或設(shè)計人員的辦公桌上使用.與所有PC和Microsoft Windows®兼容的編程器通過USB電纜連接到PC,該USB電纜也為PC供電.為了對設(shè)備編程,將FP振蕩器插入插槽卡中.通過輸入零件號或使用內(nèi)置的零件號生成器來指定所需的配置(請參見圖2).接下來,用戶單擊Program(編程),然后在不到五秒鐘的時間內(nèi)對零件進(jìn)行編程.燒錄器套件裝在DVD尺寸的手提箱中,包括基礎(chǔ)燒錄器,插槽卡,包含F(xiàn)P振蕩器的樣品包,軟件和所有必需的附件程序設(shè)備.
可編程的驅(qū)動強(qiáng)度減少了電磁問題:
電磁兼容性(EMC)是醫(yī)療電子領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn),因為電磁干擾(EMI)可能導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備發(fā)生故障并帶來嚴(yán)重后果.在世界大多數(shù)地方,必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)(例如IEC60601-1-2).該標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于EMI對外部EMI的抗擾性,但它也解決了設(shè)備內(nèi)部的EM輻射問題.使用MEMS振蕩器可以減少兩種類型的EM問題(發(fā)射和抗擾度).
時鐘是連續(xù)EMI噪聲的主要來源(發(fā)射器).方波時鐘的頻譜由基本音和高次諧波組成.屏蔽和濾波是用于使EMI最小化的常用技術(shù),但這會占用電路板空間,增加成本和復(fù)雜性,并且對于某些醫(yī)療設(shè)備,可能無法保護(hù)整個系統(tǒng).降低時鐘產(chǎn)生的能量水平是減少干擾的有效技術(shù).這可以通過使用SiTime的擴(kuò)頻振蕩器或通過所有SiTime振蕩器提供的可編程驅(qū)動強(qiáng)度功能來實現(xiàn).
圖3:諧波EMI降低與上升/下降時間變慢的關(guān)系
可編程的驅(qū)動強(qiáng)度為特定應(yīng)用提供了一種優(yōu)化時鐘上升/下降時間的簡單方法,包括通過減慢上升/下降時間來改善系統(tǒng)輻射EMI的能力.圖3顯示了隨著上升/下降時間的增加(降低)諧波功率的降低.上升/下降時間表示為時鐘周期的比率.對于0.05的比率,信號非常接近方波.對于0.45的比率,上升/下降時間非常接近于近三角波形.例如,這些結(jié)果表明,如果上升沿/下降沿從周期的5%增加到周期的45%,則可以將11次時鐘諧波降低35dB.
SiTime的擴(kuò)頻振蕩器(請參閱第3頁的表)是降低EMI的另一種選擇.這些振蕩器具有可配置的擴(kuò)展選項,中心擴(kuò)展百分比(調(diào)制極限)為±0.25%,±0.5%,±1.0%或±2.0%,向下擴(kuò)展百分比為-0.5%,-1.0%,-2.0%或-4.0%.通過隨著時間的推移緩慢地調(diào)整時鐘頻率,可以降低基頻和諧波頻率中的峰值頻譜能量.
SiTime的振蕩器使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝,其封裝可與石英晶體振蕩器兼容.作為石英產(chǎn)品的直接替代產(chǎn)品,如果在設(shè)計周期后期出現(xiàn)EMC問題,則可以輕松使用SiTime振蕩器.他們可以幫助通過環(huán)境測試,而無需更改電路板或使用其他昂貴的組件.
隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用多樣性的增長,醫(yī)療設(shè)備的使用環(huán)境也變得越來越多樣化.無論是在電子設(shè)備和無線通信增加的臨床環(huán)境中,還是在便攜式和家庭醫(yī)療設(shè)備的使用日益廣泛的領(lǐng)域中,醫(yī)療設(shè)備都必須可靠并且能夠承受廣泛的工作條件.與石英產(chǎn)品相比,MEMS振蕩器具有更高的可靠性和耐用性.SiTime的MEMS計時設(shè)備具有硅級可靠性,更好的抵抗機(jī)械沖擊和振動的能力以及更好的抗EMI能力.
如圖4所示,硅在本質(zhì)上比石英更可靠.SiTime的MEMS諧振器采用先進(jìn)的Epi-Seal™工藝真空密封,可消除異物并提高可靠性.
圖4:可靠性比較
SiTime振蕩器對EMI和電源噪聲具有高度的抵抗力,因此,它們非常適合在其他設(shè)備,電源或其他電磁能量源附近工作的醫(yī)療設(shè)備.如圖5所示,SiTime振蕩器表現(xiàn)出最好(最低)的EMS(電磁敏感性).這是由于獨(dú)特的振蕩器設(shè)計和MEMS諧振器結(jié)構(gòu).如圖6所示,差分架構(gòu)和片上穩(wěn)壓器還使SiTime振蕩器對電源噪聲具有更大的彈性.與較大的石英諧振器相比,SiTime諧振器的極小尺寸將天線拾取效應(yīng)降至最低.此外,SiTime的MEMS諧振器是靜電驅(qū)動的,因此與壓電驅(qū)動的石英器件相比,它固有地不受EMI的影響.
醫(yī)療保健行業(yè)的趨勢已經(jīng)產(chǎn)生了對各種可改善患者診斷和治療的負(fù)擔(dān)得起且可靠的醫(yī)療設(shè)備的需求.醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員和制造商需要靈活,堅固,功能豐富的組件來應(yīng)對當(dāng)今的設(shè)計挑戰(zhàn).SiTime的現(xiàn)場可編程MEMS時鐘振蕩器是醫(yī)療設(shè)計的理想選擇-它們具有更高的可靠性,更好的抗沖擊,振動和EMI的彈性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本.使用SiTime MachineII編程器可以立即以任何規(guī)格提供樣品,并且批量生產(chǎn)的交貨時間非常短.作為石英振蕩器的替代品,SiTime的MEMS振蕩器正在迅速替代傳統(tǒng)石英.
適用于醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)場可編程晶體振蕩器定時方案白皮書
醫(yī)療領(lǐng)域在這幾年越來越受到重視,尤其是今年年初疫情過后,人們更加意識到健康和醫(yī)療的重要性,遇到像新冠肺炎這樣的超大疫情,除了自覺居家隔離之外,健全強(qiáng)大的醫(yī)療體系才是根本.隨著現(xiàn)在科技越來越高,用于醫(yī)療器械和醫(yī)療設(shè)備身上的技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍,這幾年陸陸續(xù)續(xù)將AI+醫(yī)療結(jié)合,更精確的檢查病情和治療.要實現(xiàn)智能醫(yī)療系統(tǒng),軟實力和硬實力都要有,以下是SiTime晶振公司提供的專門用于醫(yī)療模塊的,現(xiàn)場可編程MEMS振蕩器定時的方案.
參考定時組件(例如諧振器和振蕩器)用于電子醫(yī)療設(shè)備中,以將所有信號同步到時鐘源.從某種意義上說,它們提供了系統(tǒng)的心跳.傳統(tǒng)的計時組件基于石英晶體,與更新的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))計時組件相比,石英晶體固有地不靈活.靈活且功能豐富的基于MEMS的計時產(chǎn)品正迅速取代石英,因為它們具有以下優(yōu)點(diǎn):更高的可靠性和耐用性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本.
基于MEMS的時序解決方案的優(yōu)勢:
●靈活性–可編程的體系結(jié)構(gòu),始終有現(xiàn)貨的現(xiàn)場可編程設(shè)備,生產(chǎn)周期短.
●功能豐富–特殊功能和特性,例如擴(kuò)頻和可編程驅(qū)動強(qiáng)度,可降低EMI.
●堅固耐用-可靠性提高20倍,抗EMI強(qiáng)度提高54倍,抗振動能力提高30倍,抗沖擊能力提高25倍.
●外形小巧–提供多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝,包括2016年小型SMD晶振封裝,與石英引腳兼容,可輕松進(jìn)行即插即用.
●低功耗–便攜式設(shè)備的低功耗和其他省電功能.
●擁有成本低–硅成本軌跡降低了價格,節(jié)省了更多的長期成本.
由于特殊要求(例如,電磁兼容性)和電子醫(yī)療設(shè)備的多樣性,MEMS定時的采用在醫(yī)療行業(yè)中變得越來越重要.從診斷和監(jiān)視儀器到治療設(shè)備的這些應(yīng)用往往具有很高的特異性,而且往往很復(fù)雜,因此需要靈活,強(qiáng)大的解決方案.
正如在醫(yī)療應(yīng)用中FPGA的日益使用所證明的那樣,定制和現(xiàn)場可編程性對于滿足多樣化醫(yī)療電子行業(yè)的設(shè)計需求至關(guān)重要.除了滿足特定的設(shè)計要求之外,可編程解決方案還可以加快設(shè)計和測試周期的所有階段.可編程定時組件具有類似的好處.與僅在特定頻率,電壓和穩(wěn)定性規(guī)格中可用的石英振蕩器不同,基于MEMS的振蕩器采用可編程架構(gòu)設(shè)計,可以實現(xiàn)這些規(guī)格的任意組合.
MEMS振蕩器由與模擬振蕩器IC封裝在一起的MEMS諧振器芯片組成.如圖1左側(cè)所示,有不同類型的MEMS諧振器可滿足不同的應(yīng)用需求.MEMS諧振器連接到模擬IC上的MEMS Oscillator專用電路塊,并通過靜電激勵驅(qū)動.
圖1:SiTime的基于MEMS的振蕩器的可編程架構(gòu)
現(xiàn)場可編程定時解決方案:
現(xiàn)場可編程(FP)振蕩器,例如SiTime的振蕩器,可實現(xiàn)快速原型設(shè)計和功能的實時定制.FP振蕩器具有廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸,并且可以使用MEMS振蕩器編程器配置為嚴(yán)格的規(guī)格.通過使用編程器和FP設(shè)備,設(shè)計人員可以立即對設(shè)備工作范圍內(nèi)的任何頻率,穩(wěn)定性和電源電壓進(jìn)行編程.也可以配置輸出驅(qū)動強(qiáng)度.此外,VCXO晶振器件的拉范圍可設(shè)置為±25至±1600ppm.這些可編程解決方案具有定制的頻率和功能,可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,同時還可以大大減少設(shè)計和開發(fā)時間.
MEMS振蕩器編程器:
SiTime MachineII™是SiTime的低成本MEMS振蕩器編程器.小型耐用的編程器非常便于攜帶,可在實驗室或設(shè)計人員的辦公桌上使用.與所有PC和Microsoft Windows®兼容的編程器通過USB電纜連接到PC,該USB電纜也為PC供電.為了對設(shè)備編程,將FP振蕩器插入插槽卡中.通過輸入零件號或使用內(nèi)置的零件號生成器來指定所需的配置(請參見圖2).接下來,用戶單擊Program(編程),然后在不到五秒鐘的時間內(nèi)對零件進(jìn)行編程.燒錄器套件裝在DVD尺寸的手提箱中,包括基礎(chǔ)燒錄器,插槽卡,包含F(xiàn)P振蕩器的樣品包,軟件和所有必需的附件程序設(shè)備.
可編程的驅(qū)動強(qiáng)度減少了電磁問題:
電磁兼容性(EMC)是醫(yī)療電子領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn),因為電磁干擾(EMI)可能導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備發(fā)生故障并帶來嚴(yán)重后果.在世界大多數(shù)地方,必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)(例如IEC60601-1-2).該標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于EMI對外部EMI的抗擾性,但它也解決了設(shè)備內(nèi)部的EM輻射問題.使用MEMS振蕩器可以減少兩種類型的EM問題(發(fā)射和抗擾度).
時鐘是連續(xù)EMI噪聲的主要來源(發(fā)射器).方波時鐘的頻譜由基本音和高次諧波組成.屏蔽和濾波是用于使EMI最小化的常用技術(shù),但這會占用電路板空間,增加成本和復(fù)雜性,并且對于某些醫(yī)療設(shè)備,可能無法保護(hù)整個系統(tǒng).降低時鐘產(chǎn)生的能量水平是減少干擾的有效技術(shù).這可以通過使用SiTime的擴(kuò)頻振蕩器或通過所有SiTime振蕩器提供的可編程驅(qū)動強(qiáng)度功能來實現(xiàn).
圖3:諧波EMI降低與上升/下降時間變慢的關(guān)系
SiTime的擴(kuò)頻振蕩器(請參閱第3頁的表)是降低EMI的另一種選擇.這些振蕩器具有可配置的擴(kuò)展選項,中心擴(kuò)展百分比(調(diào)制極限)為±0.25%,±0.5%,±1.0%或±2.0%,向下擴(kuò)展百分比為-0.5%,-1.0%,-2.0%或-4.0%.通過隨著時間的推移緩慢地調(diào)整時鐘頻率,可以降低基頻和諧波頻率中的峰值頻譜能量.
SiTime的振蕩器使用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝,其封裝可與石英晶體振蕩器兼容.作為石英產(chǎn)品的直接替代產(chǎn)品,如果在設(shè)計周期后期出現(xiàn)EMC問題,則可以輕松使用SiTime振蕩器.他們可以幫助通過環(huán)境測試,而無需更改電路板或使用其他昂貴的組件.
隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用多樣性的增長,醫(yī)療設(shè)備的使用環(huán)境也變得越來越多樣化.無論是在電子設(shè)備和無線通信增加的臨床環(huán)境中,還是在便攜式和家庭醫(yī)療設(shè)備的使用日益廣泛的領(lǐng)域中,醫(yī)療設(shè)備都必須可靠并且能夠承受廣泛的工作條件.與石英產(chǎn)品相比,MEMS振蕩器具有更高的可靠性和耐用性.SiTime的MEMS計時設(shè)備具有硅級可靠性,更好的抵抗機(jī)械沖擊和振動的能力以及更好的抗EMI能力.
如圖4所示,硅在本質(zhì)上比石英更可靠.SiTime的MEMS諧振器采用先進(jìn)的Epi-Seal™工藝真空密封,可消除異物并提高可靠性.
圖4:可靠性比較
醫(yī)療保健行業(yè)的趨勢已經(jīng)產(chǎn)生了對各種可改善患者診斷和治療的負(fù)擔(dān)得起且可靠的醫(yī)療設(shè)備的需求.醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員和制造商需要靈活,堅固,功能豐富的組件來應(yīng)對當(dāng)今的設(shè)計挑戰(zhàn).SiTime的現(xiàn)場可編程MEMS時鐘振蕩器是醫(yī)療設(shè)計的理想選擇-它們具有更高的可靠性,更好的抗沖擊,振動和EMI的彈性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本.使用SiTime MachineII編程器可以立即以任何規(guī)格提供樣品,并且批量生產(chǎn)的交貨時間非常短.作為石英振蕩器的替代品,SiTime的MEMS振蕩器正在迅速替代傳統(tǒng)石英.
適用于醫(yī)療行業(yè)的現(xiàn)場可編程晶體振蕩器定時方案白皮書
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