適用于醫療行業的現場可編程晶體振蕩器定時方案白皮書
　　醫療領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,健全強大的醫療體系才是根本.隨著現在科技越來越高,用于醫療器械和醫療設備身上的技術也有了質的飛躍,這幾年陸陸續續將AI+醫療結合,更精確的檢查病情和治療.要實現智能醫療系統,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療模塊的,現場可編程MEMS振蕩器定時的方案.
　　參考定時組件(例如諧振器和振蕩器)用于電子醫療設備中,以將所有信號同步到時鐘源.從某種意義上說,它們提供了系統的心跳.傳統的計時組件基于石英晶體,與更新的MEMS(微機電系統)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的計時產品正迅速取代石英,因為它們具有以下優點: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勢:
　　●靈活性–可編程的體系結構,始終有現貨的現場可編程設備,生產周期短.
　　●功能豐富–特殊功能和特性,例如擴頻和可編程驅動強度,可降低EMI.
　　●堅固耐用-可靠性提高20倍,抗EMI強度提高54倍,抗振動能力提高30倍,抗沖擊能力提高25倍.
　　●外形小巧–提供多種行業標準封裝,包括2016年小型SMD晶振封裝,與石英引腳兼容,可輕松進行即插即用.
　　●低功耗–便攜式設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)和電子醫療設備的多樣性,MEMS定時的采用在醫療行業中變得越來越重要.從診斷和監視儀器到治療設備的這些應用往往具有很高的特異性,而且往往很復雜,因此需要靈活,強大的解決方案.

現場可編程架構:
　　正如在醫療應用中FPGA的日益使用所證明的那樣,定制和現場可編程性對于滿足多樣化醫療電子行業的設計需求至關重要.除了滿足特定的設計要求之外,可編程解決方案還可以加快設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,電壓和穩定性規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設計,可以實現這些規格的任意組合.

　　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左側所示,有不同類型的MEMS諧振器可滿足不同的應用需求.MEMS諧振器連接到模擬IC上的MEMS Oscillator專用電路塊,并通過靜電激勵驅動.

圖1:SiTime的基于MEMS的振蕩器的可編程架構

　　通過使用位于模擬振蕩器芯片上的小數NPPL(鎖相環)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.輸出驅動器可實現可配置的驅動強度.片上一次性可編程(OTP)存儲器用于存儲編程參數.
現場可編程定時解決方案:
　　現場可編程(FP)振蕩器,例如SiTime的振蕩器,可實現快速原型設計和功能的實時定制.FP振蕩器具有廣泛的行業標準封裝尺寸,并且可以使用MEMS振蕩器編程器配置為嚴格的規格.通過使用編程器和FP設備,設計人員可以立即對設備工作范圍內的任何頻率,穩定性和電源電壓進行編程.也可以配置輸出驅動強度.此外,VCXO晶振器件的拉范圍可設置為±25至±1600ppm.這些可編程解決方案具有定制的頻率和功能,可以優化系統設計,同時還可以大大減少設計和開發時間.
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對零件進行編程.燒錄器套件裝在DVD尺寸的手提箱中,包括基礎燒錄器,插槽卡,包含FP振蕩器的樣品包,軟件和所有必需的附件程序設備.
可編程的驅動強度減少了電磁問題:
　　電磁兼容性(EMC)是醫療電子領域的主要關注點,因為電磁干擾(EMI)可能導致醫療設備發生故障并帶來嚴重后果.在世界大多數地方,必須符合EMC標準(例如IEC60601-1-2).該標準主要側重于EMI對外部EMI的抗擾性,但它也解決了設備內部的EM輻射問題.使用MEMS振蕩器可以減少兩種類型的EM問題(發射和抗擾度).
　　時鐘是連續EMI噪聲的主要來源(發射器).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,但這會占用電路板空間,增加成本和復雜性,并且對于某些醫療設備,可能無法保護整個系統.降低時鐘產生的能量水平是減少干擾的有效技術.這可以通過使用SiTime的擴頻振蕩器或通過所有SiTime振蕩器提供的可編程驅動強度功能來實現.

圖3:諧波EMI降低與上升/下降時間變慢的關系

　　可編程的驅動強度為特定應用提供了一種優化時鐘上升/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展選項,中心擴展百分比(調制極限)為±0.25%,±0.5%,±1.0%或±2.0%,向下擴展百分比為-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標準的封裝,其封裝可與石英晶體振蕩器兼容.作為石英產品的直接替代產品,如果在設計周期后期出現EMC問題,則可以輕松使用SiTime振蕩器.他們可以幫助通過環境測試,而無需更改電路板或使用其他昂貴的組件.
　　隨著醫療技術的進步和應用多樣性的增長,醫療設備的使用環境也變得越來越多樣化.無論是在電子設備和無線通信增加的臨床環境中,還是在便攜式和家庭醫療設備的使用日益廣泛的領域中,醫療設備都必須可靠并且能夠承受廣泛的工作條件.與石英產品相比,MEMS振蕩器具有更高的可靠性和耐用性.SiTime的MEMS計時設備具有硅級可靠性,更好的抵抗機械沖擊和振動的能力以及更好的抗EMI能力.
　　如圖4所示,硅在本質上比石英更可靠.SiTime的MEMS諧振器采用先進的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備,電源或其他電磁能量源附近工作的醫療設備.如圖5所示,SiTime振蕩器表現出最好(最低)的EMS(電磁敏感性).這是由于獨特的振蕩器設計和MEMS諧振器結構.如圖6所示,差分架構和片上穩壓器還使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降至最低.此外,SiTime的MEMS諧振器是靜電驅動的,因此與壓電驅動的石英器件相比,它固有地不受EMI的影響.
　　醫療保健行業的趨勢已經產生了對各種可改善患者診斷和治療的負擔得起且可靠的醫療設備的需求.醫療設備設計人員和制造商需要靈活,堅固,功能豐富的組件來應對當今的設計挑戰.SiTime的現場可編程MEMS時鐘振蕩器是醫療設計的理想選擇-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格提供樣品,并且批量生產的交貨時間非常短.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石英.
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