COMPONENTS
FREQUENCY CONTROL
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- ELETTRONICA OGGI 439 - SETTEMBRE 2014
Oscillatori a cristalli
Gli oscillatori a cristalli sono progettati
per funzionare entro un’ampia gamma di
frequenze, da pochi kilohertz fino a diver-
se centinaia di megahertz. Gli oscillatori a
cristallo abbinano un risonatore al quar-
zo a un circuito amplificatore in un con-
tenitore ceramico sigillato ermeticamente
con un coperchio metallico. Il contenitore
ceramico e il coperchio metallico costi-
tuiscono un involucro altamente protetti-
vo per il fragilissimo cristallo ed evitano
possibili danni ai componenti assemblati.
Solitamente, il circuito amplificatore sfrut-
ta le proprietà piezoelettriche del cristal-
lo utilizzando la retroazione elettrica per
creare una risonanza o un’oscillazione a
una specifica frequenza che dipende dalla
dimensione, dal taglio e dalla placcatura del risonatore
a cristallo. Per supportare l’ampia gamma di frequenze
richieste dall’industria elettronica, i fornitori di sistemi di
controllo di frequenza devono progettare, fabbricare e
immagazzinare centinaia o perfino migliaia di risonatori
a cristalli personalizzati. Le soluzioni basate sui cristalli
sono soggette a problematiche attinenti alla produzione e
alle versioni personalizzate. I dispositivi portatili rappre-
sentano un’enorme quota dell’intero mercato dei cristalli.
I dispositivi portatili più sottili e più piccoli necessitano
continuamente di una fornitura di componenti con fatto-
ri di forma sempre più ridotti. Questi requisiti presenta-
no dei problemi per gli oscillatori a cristalli, in quanto
la riduzione delle dimensioni del risonatore al quarzo a
tutte le frequenze desiderate è fonte di complessità pro-
duttiva e di problemi di affidabilità, a causa delle minori
dimensioni e della maggiore fragilità dei cristalli. Inoltre,
in qualsiasi settore, una problematica di maggiore rilievo
a cui sono soggette le soluzioni a cristalli è rappresentata
dalla loro innata sensibilità a fattori ambientali quali urti,
vibrazioni, stress termico e variabilità di produzione tra
i diversi lotti, causa di inconvenienti iniziali e successivi
guasti in corso di utilizzo.
Risonatori MEMS
Nel corso degli ultimi anni, per diversi motivi, gli oscilla-
tori MEMS sono diventati un’alternativa valida alle solu-
zioni al quarzo. In primo luogo, poiché gli oscillatori MEMS
sono prodotti con processi basati sul silicio e soggetti
a controlli di altissima qualità, offrono prestazioni molto
affidabili su miliardi di unità, a patto che siano proget-
tati, garantiti e definiti nelle loro caratteristiche in modo
adeguato dal fornitore. In secondo luogo, quale risultato
derivante direttamente dai processi di produzione basati
sul silicio, gli oscillatori sono soggetti alla legge di Moore,
che prevede la continua crescita della potenza di elabo-
razione a fronte dei costi in continua diminuzione. In altre
parole, i dispositivi al silicio costeranno inevitabilmente
meno con il passare del tempo. Le soluzioni a cristalli
sfortunatamente sono soggette a una legge inversa, in
base alla quale il costo dei materiali aumenta al diminuire
delle dimensioni, proprio a causa delle difficoltà di pro-
duzione già citate. Inoltre, all’aumentare dei costi e delle
difficoltà di fabbricazione, la resa dei cristalli diminuisce
a causa della sempre maggiore fragilità e riduzione del-
le dimensioni dei dispositivi. Il terzo vantaggio, ancora
una volta, risiede nel processo basato sul silicio. Poiché
gli oscillatori MEMS sono soluzioni al silicio, è possibile
progettarli in modo da risultare intrinsecamente più resi-
stenti ai fattori ambientali. Ciò non vuol dire che tutte le
soluzioni MEMS siano ugualmente valide. Il progetto de-
termina moltissimo la qualità delle prestazioni di un oscil-
latore MEMS rispetto a un altro. Resta comunque il fatto
che una soluzione al silicio è progettabile in modo da ri-
sultare più resistente agli urti e alle vibrazioni rispetto a
una a cristalli, soprattutto in presenza di cristalli piccoli.
Oscillatori MEMS di prima generazione
L’architettura della prima generazione di oscillatori MEMS
è simile a quella degli oscillatori
al quarzo nell’abbinamento
di due componenti fisicamente distinti, il risonatore e la
piastrina di base del circuito integrato dell’amplificato-
re, con conseguente compensazione di qualsiasi deriva
di frequenza del risonatore. L’impiego dei MEMS ha ap-
Fig. 1 – Risultati dell’esposizione a variazioni rapide di temperatura di oscillatori MEMS di
prima generazione e oscillatori CMEMS di Silicon Labs
