Este artículo analiza la diferencia entre cristales y osciladores y la ventaja de costo total de usar osciladores en lugar de cristales.

Al usar cristales y osciladores MEMS, debemos considerar el costo total. Aunque el costo unitario del cristal suele ser menor, la situación es muy distinta una vez que se calcula el costo total.

Piense en los problemas de diseño con cristales que encontramos a menudo, como fallas de arranque en frío, problemas del circuito oscilador causados por desajustes del cristal o la imposibilidad de superar las pruebas EMI. Estos problemas provocan sobrecostos de ingeniería durante el desarrollo y generan problemas de calidad costosos. Además, retrasar la fecha de lanzamiento del producto también puede generar pérdida de ingresos. En estas circunstancias, identificamos varias situaciones en las que los osciladores MEMS ayudan a reducir los costos generales.

Primero, introduzcamos brevemente algunos conceptos básicos. El cristal es un componente pasivo que debe conectarse a un circuito oscilante externo, mientras que un oscilador es una solución de temporización integrada que contiene un resonador y un IC oscilador. Un cristal (a veces llamado resonador) es un componente pasivo que vibra/resuena y se conecta al circuito oscilante externo del chip (como un SoC, un microcontrolador o un procesador) para ofrecer la temporización, como se muestra en el lado izquierdo de la Figura 1 a continuación.

Figura 1: Diferencia entre un cristal (XTAL) y un oscilador (XO)

Los osciladores tienen las ventajas de reducir la EMI, ser programables y poder excitar múltiples cargas. Aunque el costo unitario de los cristales suele ser menor, los osciladores son más rentables en términos de costo total, especialmente cuando el volumen de producción es bajo.

Además, los osciladores son más fáciles de integrar en un sistema porque pueden resolver problemas comunes de diseño de temporización, como fallas de arranque en frío, problemas del circuito de oscilación inducidos por desajustes del cristal y fallas en las pruebas EMI. En algunos productos, los osciladores se basan en silicio en lugar de cristales de cuarzo tradicionales. Esta arquitectura permite un oscilador robusto y duradero de tipo “plug-and-play” que no solo es flexible, sino también muy fácil de integrar en un sistema.

Los osciladores son más fáciles de integrar en un sistema porque sus funciones y características pueden resolver problemas comunes de diseño de temporización que suelen ser difíciles de solucionar. Hemos recopilado algunos ejemplos de costo total basados en los precios de XTAL y XO con la misma frecuencia de salida, estabilidad y tamaño de encapsulado de algunas tiendas en línea de componentes electrónicos. Luego añadimos las horas de trabajo de ingeniería necesarias para resolver el problema (a razón de $100 por hora).

Cada caso tiene un punto de equilibrio diferente según el volumen de producción y el tiempo de ingeniería. Por lo general, cuando el volumen de producción es alto, el costo de diseñar con cristales es menor y el costo de diseño puede amortizarse en la producción a gran escala. Por el contrario, cuando el volumen de producción no es de decenas de miles, el costo de usar osciladores es menor. Sin embargo, hay algo más.

Lo que no se considera en los siguientes ejemplos es el costo de oportunidad (pérdida de ingresos) causado por los retrasos en el diseño del proyecto, que puede ser enorme en algunos mercados. En ciertos casos, los servicios externos y las pruebas generan costos adicionales, que también pueden ser elevados. Además, existen otros costos adicionales. Entre ellos, el costo adicional de materiales y componentes necesario para volver a encapsular la placa de circuito, el costo de los capacitores de carga que requieren los cristales (no los osciladores) y el espacio adicional de placa que ocupan los capacitores; todo ello inclina aún más la balanza hacia el uso de osciladores.

Para simplificar, en los siguientes ejemplos solo incluimos el costo de los componentes de temporización y el tiempo de ingeniería dedicado a corregir los problemas del cristal.

1. Comparación de costos de cristal frente a oscilador: falla de arranque en frío

A diferencia de los cristales, el oscilador MEMS no tiene problemas de arranque. En el caso del cliente, se necesitan 15 horas de trabajo de ingeniería para corregir el problema de arranque del cristal. Aquí, mediante una reparación relativamente rápida, cuando la producción alcanza las 6,500 unidades o menos, se evidencian la ventaja de costo y la eficacia del oscilador MEMS. En otras palabras, a menos que el volumen de producción sea muy grande, usar cristales implica pagar más a largo plazo.

2. Comparación de costos de cristal frente a oscilador: un cristal desajustado provoca fallas del oscilador

Como el oscilador es una solución integrada (resonador e IC oscilador en un solo encapsulado), se elimina el error de acoplamiento. El diseñador no necesita preocuparse por la impedancia de movimiento del cristal, el modo resonante, el nivel de excitación ni otras consideraciones de emparejamiento. En el caso de este cliente, se necesitan 40 horas de diseño de ingeniería para corregir el problema de acoplamiento. Cuando la cantidad es de aproximadamente 17,000 unidades o menos, el costo de usar un oscilador es menor.

3. Comparación de costos de cristal y oscilador: falla en el cumplimiento de EMI

Los relojes suelen ser el principal factor que genera EMI (interferencia electromagnética), lo que puede hacer que los prototipos no superen las pruebas de cumplimiento. El oscilador MEMS puede ofrecer diversas tecnologías para reducir la EMI de forma rápida y sencilla. Una de esas técnicas es el reloj de espectro ensanchado (spread spectrum clocking). Otra función es Flexedge ™, una función programable para ajustar el tiempo de subida/bajada (slew rate) de la señal de reloj y así reducir la EMI.

Como dispositivo pasivo, el cristal no tiene estas funciones para reducir la EMI. Si el diseñador necesita usar blindaje o añadir un IC generador de reloj de espectro ensanchado a su cristal, aumentarán el gasto y el espacio en la placa. Además, alquilar una cámara anecoica para pruebas adicionales añadirá otros $3,000 o más. Rediseñar las placas y volver a probar puede requerir 50 horas de trabajo de ingeniería, por lo que resulta más beneficioso usar un oscilador MEMS cuando la producción es de aproximadamente 23500 unidades o menos. Esto no incluye el costo de los materiales adicionales ni los costos de los equipos de prueba mencionados anteriormente.

Además de los costos directos, hay otros factores que afectan el costo de diseñar con cristales. Por ejemplo, los osciladores pueden excitar múltiples cargas. Esto significa que un oscilador puede reemplazar a varios cristales, mientras que varios cristales solo pueden proporcionar señales de temporización a un dispositivo.

Además, los osciladores MEMS se basan en una arquitectura programable y pueden ofrecer cualquier frecuencia, estabilidad y voltaje dentro de un rango muy amplio. Esto brinda a los ingenieros de diseño una gran flexibilidad para optimizar los diseños. De hecho, los osciladores programables pueden ser programados por los principales distribuidores o incluso por los clientes en su propio laboratorio usando Time Machine II.

Si es necesario cambiar las especificaciones, la programabilidad también puede reducir el costo de los esfuerzos de calificación. La razón por la que se ahorran costo y tiempo es que los osciladores MEMS (antes de la programación) pueden generar millones de números de referencia. Una vez calificados los componentes básicos, se pueden configurar para admitir una variedad de especificaciones diferentes.

Uno de los mayores ahorros indirectos puede ser la mayor calidad y confiabilidad. El DPPM de los osciladores MEMS programables es inferior a 1, y el MTBF (tiempo medio entre fallas) supera los 2 mil millones de horas, 50 veces el de los dispositivos de cuarzo típicos. Además, en comparación con los cristales de cuarzo, los osciladores MEMS programables tienen una tasa de supervivencia mucho mayor ante impactos y vibraciones.

La alta tasa de fallas de los cristales de cuarzo aumenta los costos de muchas formas, como los costos adicionales de recursos para el análisis de causa raíz o los costos extras de servicio y reemplazo. Además, los problemas de calidad pueden causar un daño significativo y duradero a la reputación de marca de una empresa.

Usar osciladores en lugar de cristales puede reducir los costos de muchas formas. ¿Por qué no eliminar todas las complicaciones y los gastos adicionales usando osciladores? Cuando el trabajo de compras se centra en reducir el costo de los componentes, recuerde que ver el panorama completo es la clave para ahorrar costos a largo plazo.