适用于医疗行业的现场可编程晶体振荡器定时方案白皮书
　　医疗领域在这几年越来越受到重视,尤其是今年年初疫情过后,人们更加意识到健康和医疗的重要性,遇到像新冠肺炎这样的超大疫情,除了自觉居家隔离之外,健全强大的医疗体系才是根本.随着现在科技越来越高,用于医疗器械和医疗设备身上的技术也有了质的飞跃,这几年陆陆续续将AI+医疗结合,更精确的检查病情和治疗.要实现智能医疗系统,软实力和硬实力都要有,以下是SiTime晶振公司提供的专门用于医疗模块的,现场可编程MEMS振荡器定时的方案.
　　参考定时组件(例如谐振器和振荡器)用于电子医疗设备中,以将所有信号同步到时钟源.从某种意义上说,它们提供了系统的心跳.传统的计时组件基于石英晶体,与更新的MEMS(微机电系统)计时组件相比,石英晶体固有地不灵活.灵活且功能丰富的基于MEMS的计时产品正迅速取代石英,因为它们具有以下优点: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的时序解决方案的优势:
　　●灵活性–可编程的体系结构,始终有现货的现场可编程设备,生产周期短.
　　●功能丰富–特殊功能和特性,例如扩频和可编程驱动强度,可降低EMI.
　　●坚固耐用-可靠性提高20倍,抗EMI强度提高54倍,抗振动能力提高30倍,抗冲击能力提高25倍.
　　●外形小巧–提供多种行业标准封装,包括2016年小型SMD晶振封装,与石英引脚兼容,可轻松进行即插即用.
　　●低功耗–便携式设备的低功耗和其他省电功能.
　　●拥有成本低–硅成本轨迹降低了价格,节省了更多的长期成本.
　　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定时的采用在医疗行业中变得越来越重要.从诊断和监视仪器到治疗设备的这些应用往往具有很高的特异性,而且往往很复杂,因此需要灵活,强大的解决方案.

现场可编程架构:
　　正如在医疗应用中FPGA的日益使用所证明的那样,定制和现场可编程性对于满足多样化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之外,可编程解决方案还可以加快设计和测试周期的所有阶段.可编程定时组件具有类似的好处.与仅在特定频率,电压和稳定性规格中可用的石英振荡器不同,基于MEMS的振荡器采用可编程架构设计,可以实现这些规格的任意组合.

　　MEMS振荡器由与模拟振荡器IC封装在一起的MEMS谐振器芯片组成.如图1左侧所示,有不同类型的MEMS谐振器可满足不同的应用需求.MEMS谐振器连接到模拟IC上的MEMS Oscillator专用电路块,并通过静电激励驱动.

图1:SiTime的基于MEMS的振荡器的可编程架构

　　通过使用位于模拟振荡器芯片上的小数NPPL(锁相环)来配置和生成输出频率.频率范围为1Hz至650MHz,精度为6位小数.输出驱动器可实现可配置的驱动强度.片上一次性可编程(OTP)存储器用于存储编程参数.
现场可编程定时解决方案:
　　现场可编程(FP)振荡器,例如SiTime的振荡器,可实现快速原型设计和功能的实时定制.FP振荡器具有广泛的行业标准封装尺寸,并且可以使用MEMS振荡器编程器配置为严格的规格.通过使用编程器和FP设备,设计人员可以立即对设备工作范围内的任何频率,稳定性和电源电压进行编程.也可以配置输出驱动强度.此外,VCXO晶振器件的拉范围可设置为±25至±1600ppm.这些可编程解决方案具有定制的频率和功能,可以优化系统设计,同时还可以大大减少设计和开发时间.
MEMS振荡器编程器:
　　SiTime MachineII™是SiTime的低成本MEMS振荡器编程器.小型耐用的编程器非常便于携带,可在实验室或设计人员的办公桌上使用.与所有PC和Microsoft Windows®兼容的编程器通过USB电缆连接到PC,该USB电缆也为PC供电.为了对设备编程,将FP振荡器插入插槽卡中.通过输入零件号或使用内置的零件号生成器来指定所需的配置(请参见图2).接下来,用户单击Program(编程),然后在不到五秒钟的时间内对零件进行编程.烧录器套件装在DVD尺寸的手提箱中,包括基础烧录器,插槽卡,包含FP振荡器的样品包,软件和所有必需的附件程序设备.
可编程的驱动强度减少了电磁问题:
　　电磁兼容性(EMC)是医疗电子领域的主要关注点,因为电磁干扰(EMI)可能导致医疗设备发生故障并带来严重后果.在世界大多数地方,必须符合EMC标准(例如IEC60601-1-2).该标准主要侧重于EMI对外部EMI的抗扰性,但它也解决了设备内部的EM辐射问题.使用MEMS振荡器可以减少两种类型的EM问题(发射和抗扰度).
　　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本音和高次谐波组成.屏蔽和滤波是用于使EMI最小化的常用技术,但这会占用电路板空间,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.降低时钟产生的能量水平是减少干扰的有效技术.这可以通过使用SiTime的扩频振荡器或通过所有SiTime振荡器提供的可编程驱动强度功能来实现.

图3:谐波EMI降低与上升/下降时间变慢的关系

　　可编程的驱动强度为特定应用提供了一种优化时钟上升/下降时间的简单方法,包括通过减慢上升/下降时间来改善系统辐射EMI的能力.图3显示了随着上升/下降时间的增加(降低)谐波功率的降低.上升/下降时间表示为时钟周期的比率.对于0.05的比率,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%,则可以将11次时钟谐波降低35dB.
　　SiTime的扩频振荡器(请参阅第3页的表)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(调制极限)为±0.25%,±0.5%,±1.0%或±2.0%,向下扩展百分比为-0.5%,-1.0%,-2.0%或-4.0%.通过随着时间的推移缓慢地调整时钟频率,可以降低基频和谐波频率中的峰值频谱能量.
　　SiTime的振荡器使用符合行业标准的封装,其封装可与石英晶体振荡器兼容.作为石英产品的直接替代产品,如果在设计周期后期出现EMC问题,则可以轻松使用SiTime振荡器.他们可以帮助通过环境测试,而无需更改电路板或使用其他昂贵的组件.
　　随着医疗技术的进步和应用多样性的增长,医疗设备的使用环境也变得越来越多样化.无论是在电子设备和无线通信增加的临床环境中,还是在便携式和家庭医疗设备的使用日益广泛的领域中,医疗设备都必须可靠并且能够承受广泛的工作条件.与石英产品相比,MEMS振荡器具有更高的可靠性和耐用性.SiTime的MEMS计时设备具有硅级可靠性,更好的抵抗机械冲击和振动的能力以及更好的抗EMI能力.
　　如图4所示,硅在本质上比石英更可靠.SiTime的MEMS谐振器采用先进的Epi-Seal™工艺真空密封,可消除异物并提高可靠性.

图4:可靠性比较

　　SiTime振荡器对EMI和电源噪声具有高度的抵抗力,因此,它们非常适合在其他设备,电源或其他电磁能量源附近工作的医疗设备.如图5所示,SiTime振荡器表现出最好(最低)的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.如图6所示,差分架构和片上稳压器还使SiTime振荡器对电源噪声具有更大的弹性.与较大的石英谐振器相比,SiTime谐振器的极小尺寸将天线拾取效应降至最低.此外,SiTime的MEMS谐振器是静电驱动的,因此与压电驱动的石英器件相比,它固有地不受EMI的影响.
　　医疗保健行业的趋势已经产生了对各种可改善患者诊断和治疗的负担得起且可靠的医疗设备的需求.医疗设备设计人员和制造商需要灵活,坚固,功能丰富的组件来应对当今的设计挑战.SiTime的现场可编程MEMS时钟振荡器是医疗设计的理想选择-它们具有更高的可靠性,更好的抗冲击,振动和EMI的弹性,更小的尺寸,更低的功耗和更低的成本.使用SiTime MachineII编程器可以立即以任何规格提供样品,并且批量生产的交货时间非常短.作为石英振荡器的替代品,SiTime的MEMS振荡器正在迅速替代传统石英.
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