यह लेख क्रिस्टल और ऑसिलेटर के बीच अंतर और क्रिस्टल के बजाय ऑसिलेटर उपयोग करने के कुल लागत लाभ पर चर्चा करता है।

क्रिस्टल और MEMS ऑसिलेटर का उपयोग करते समय हमें कुल लागत पर विचार करना चाहिए। क्रिस्टल की यूनिट लागत आमतौर पर कम होती है, लेकिन कुल लागत की गणना करने पर स्थिति काफ़ी अलग हो जाती है।

क्रिस्टल डिज़ाइन में अक्सर ऐसी समस्याएँ सामने आती हैं, जैसे कोल्ड स्टार्टअप में विफलता, क्रिस्टल की असंगति से पैदा होने वाली ऑसिलेटिंग सर्किट समस्याएँ, या EMI टेस्ट पास न होना। ये समस्याएँ डेवलपमेंट के दौरान इंजीनियरिंग लागत को बढ़ा देती हैं और भारी लागत वाली गुणवत्ता समस्याएँ पैदा करती हैं। इसके अलावा, प्रोडक्ट रिलीज़ की तारीख में देरी से राजस्व हानि भी हो सकती है। इन परिस्थितियों में हमने कई ऐसी स्थितियाँ देखीं जहाँ MEMS ऑसिलेटर समग्र लागत घटाने में मदद करते हैं।

पहले कुछ बुनियादी जानकारी संक्षेप में समझ लेते हैं। क्रिस्टल एक पैसिव कंपोनेंट है जिसे बाहरी ऑसिलेटिंग सर्किट से जोड़ना पड़ता है, जबकि ऑसिलेटर एक इंटीग्रेटेड टाइमिंग समाधान है जिसमें रेज़ोनेटर और ऑसिलेटर IC शामिल होते हैं। क्रिस्टल (जिसे कभी-कभी रेज़ोनेटर भी कहा जाता है) एक कंपन करने वाला/रेज़ोनेट करने वाला पैसिव कंपोनेंट है, जो टाइमिंग प्रदान करने के लिए चिप (जैसे SoC, माइक्रोकंट्रोलर या प्रोसेसर) के बाहरी ऑसिलेटिंग सर्किट से जुड़ता है — जैसा कि नीचे चित्र 1 के बाईं ओर दिखाया गया है।

चित्र 1: क्रिस्टल (XTAL) और ऑसिलेटर (XO) के बीच अंतर

ऑसिलेटर में EMI कम करने, प्रोग्रामेबिलिटी और कई लोड ड्राइव करने के फ़ायदे हैं। क्रिस्टल की यूनिट लागत आमतौर पर कम होती है, लेकिन कुल लागत के हिसाब से ऑसिलेटर अधिक किफ़ायती होते हैं, खासकर जब उत्पादन मात्रा कम हो।

इसके अलावा, ऑसिलेटर को सिस्टम में डिज़ाइन करना आसान होता है, क्योंकि ये आम टाइमिंग डिज़ाइन समस्याओं को हल कर सकते हैं — जैसे कोल्ड स्टार्ट विफलता, क्रिस्टल की असंगति से पैदा होने वाली ऑसिलेटिंग सर्किट समस्याएँ और EMI टेस्ट में विफलता। कुछ प्रोडक्ट्स में ऑसिलेटर पारंपरिक क्वार्ट्ज़ क्रिस्टल के बजाय सिलिकॉन पर आधारित होते हैं। यह आर्किटेक्चर एक मज़बूत और टिकाऊ ऐसा ऑसिलेटर देता है जिसे सीधे जोड़कर चलाया जा सकता है — न केवल लचीला, बल्कि सिस्टम में डिज़ाइन करना भी बहुत आसान।

ऑसिलेटर को सिस्टम में डिज़ाइन करना आसान है, क्योंकि उनके फ़ंक्शन और विशेषताएँ उन आम टाइमिंग डिज़ाइन समस्याओं को हल कर सकते हैं जिन्हें हल करना आमतौर पर मुश्किल होता है। हमने कुछ ऑनलाइन इलेक्ट्रॉनिक कंपोनेंट स्टोर की समान आउटपुट फ़्रीक्वेंसी, स्टेबिलिटी और पैकेज साइज़ वाले XTAL और XO कीमतों के आधार पर कुल लागत के कुछ उदाहरण सूचीबद्ध किए हैं। फिर हम समस्या हल करने के लिए आवश्यक इंजीनियरिंग कार्य घंटे जोड़ते हैं (प्रति घंटा $100 के आधार पर)।

उत्पादन मात्रा और इंजीनियरिंग समय के आधार पर हर मामले का सीमा बिंदु अलग होता है। आमतौर पर जब उत्पादन मात्रा अधिक होती है, तो क्रिस्टल से डिज़ाइन करने की लागत कम होती है और डिज़ाइन लागत बड़े पैमाने के उत्पादन में परिशोधित की जा सकती है। इसके विपरीत, जब उत्पादन मात्रा दसियों हज़ार में न हो, तो ऑसिलेटर उपयोग करने की लागत कम होती है। लेकिन बात केवल इतनी ही नहीं है।

नीचे दिए गए उदाहरणों में परियोजना डिज़ाइन में देरी से होने वाली अवसर लागत (राजस्व हानि) शामिल नहीं है, जो कुछ बाज़ारों में बहुत बड़ी हो सकती है। कुछ मामलों में बाहरी सेवाएँ और परीक्षण अतिरिक्त लागत पैदा करते हैं, जो काफ़ी अधिक हो सकती है। इसके अलावा अन्य अतिरिक्त लागतें भी हैं। इनमें सर्किट बोर्ड के दोबारा एनकैप्सुलेशन के लिए आवश्यक अतिरिक्त सामग्री और कंपोनेंट लागत, क्रिस्टल के लिए ज़रूरी लोड कैपेसिटर की लागत (ऑसिलेटर के लिए नहीं) और कैपेसिटर द्वारा ली गई अतिरिक्त सर्किट बोर्ड जगह शामिल हैं — ये सब समीकरण को और भी ऑसिलेटर के पक्ष में झुका देते हैं।

सरलता के लिए, नीचे दिए उदाहरणों में हम केवल टाइमिंग कंपोनेंट की लागत और क्रिस्टल की समस्याओं को ठीक करने में लगने वाला इंजीनियरिंग समय शामिल करते हैं।

1. क्रिस्टल बनाम ऑसिलेटर की लागत तुलना — कोल्ड स्टार्टअप विफलता

क्रिस्टल के विपरीत, MEMS ऑसिलेटर में स्टार्टअप की समस्या नहीं होती। ग्राहक के मामले में क्रिस्टल की स्टार्टअप समस्या ठीक करने में 15 घंटे का इंजीनियरिंग काम लगा। यहाँ अपेक्षाकृत तेज़ मरम्मत के ज़रिए, जब आउटपुट 6,500 यूनिट या उससे कम हो, तब MEMS ऑसिलेटर की लागत और प्रभावशीलता सामने आती है। दूसरे शब्दों में, जब तक उत्पादन मात्रा बहुत बड़ी न हो, क्रिस्टल का उपयोग लंबे समय में अधिक भुगतान करने जैसा है।

2. क्रिस्टल बनाम ऑसिलेटर की लागत तुलना — असंगत क्रिस्टल से ऑसिलेटर में विफलता

चूँकि ऑसिलेटर एक इंटीग्रेटेड समाधान है (रेज़ोनेटर और ऑसिलेटर IC एक ही पैकेज में), इसलिए मिलान संबंधी त्रुटि समाप्त हो जाती है। डिज़ाइनर को क्रिस्टल के मोशनल इम्पीडेंस, रेज़ोनेंट मोड, ड्राइव लेवल या अन्य मिलान संबंधी पहलुओं की चिंता नहीं करनी पड़ती। इस ग्राहक के मामले में मिलान की समस्या ठीक करने में 40 घंटे का इंजीनियरिंग डिज़ाइन लगा। जब संख्या लगभग 17,000 या उससे कम हो, तो ऑसिलेटर उपयोग करने की लागत कम होती है।

3. क्रिस्टल और ऑसिलेटर की लागत तुलना — EMI अनुपालन में विफलता

क्लॉक आमतौर पर EMI (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफ़ेरेंस) पैदा करने वाला सबसे बड़ा कारक होता है, जिसके कारण प्रोटोटाइप अनुपालन परीक्षण में विफल हो सकते हैं। MEMS ऑसिलेटर EMI को तेज़ी से और आसानी से कम करने के लिए कई तकनीकें प्रदान कर सकता है। ऐसी ही एक तकनीक स्प्रेड स्पेक्ट्रम क्लॉकिंग है। एक अन्य विशेषता Flexedge ™ है — एक प्रोग्रामेबल फ़ंक्शन जो EMI घटाने के लिए क्लॉक सिग्नल का राइज़/फ़ॉल टाइम (स्ल्यू रेट) समायोजित करता है।

पैसिव डिवाइस होने के कारण क्रिस्टल में EMI कम करने के ये फ़ंक्शन नहीं होते। अगर डिज़ाइनर को शील्डिंग का उपयोग करना पड़े या अपने क्रिस्टल में स्प्रेड स्पेक्ट्रम क्लॉक जनरेटर IC जोड़ना पड़े, तो खर्च और बोर्ड स्पेस दोनों बढ़ जाते हैं। इसके अलावा, अतिरिक्त परीक्षण के लिए एनइकोइक चैंबर किराए पर लेने पर $3,000 या उससे अधिक का अतिरिक्त खर्च आएगा। बोर्ड दोबारा डिज़ाइन करने और फिर से परीक्षण करने में 50 घंटे का इंजीनियरिंग काम लग सकता है, इसलिए जब आउटपुट लगभग 23500 या उससे कम हो तो MEMS ऑसिलेटर का उपयोग करना अधिक फ़ायदेमंद है। इसमें अतिरिक्त सामग्री की लागत और ऊपर बताई गई परीक्षण उपकरण लागत शामिल नहीं है।

प्रत्यक्ष लागतों के अलावा, ऐसे भी कारक हैं जो डिज़ाइन में क्रिस्टल उपयोग करने की लागत को प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, ऑसिलेटर कई लोड ड्राइव कर सकते हैं। इसका मतलब है कि एक ऑसिलेटर कई क्रिस्टल की जगह ले सकता है, जबकि कई क्रिस्टल केवल एक ही डिवाइस को टाइमिंग सिग्नल दे सकते हैं।

इसके अलावा, MEMS ऑसिलेटर एक प्रोग्रामेबल आर्किटेक्चर पर आधारित होते हैं और बहुत व्यापक रेंज में किसी भी फ़्रीक्वेंसी, स्टेबिलिटी और वोल्टेज की सुविधा दे सकते हैं। इससे डिज़ाइन इंजीनियरों को डिज़ाइन अनुकूलित करने में काफ़ी लचीलापन मिलता है। दरअसल, प्रोग्रामेबल ऑसिलेटर को बड़े डिस्ट्रिब्यूटर या ग्राहक स्वयं अपनी लैब में Time Machine II का उपयोग करके प्रोग्राम कर सकते हैं।

अगर स्पेसिफ़िकेशन बदलने की ज़रूरत पड़े, तो प्रोग्रामेबिलिटी क्वालिफ़िकेशन के प्रयासों की लागत भी कम कर सकती है। लागत और समय बचने का कारण यह है कि MEMS ऑसिलेटर (प्रोग्रामिंग से पहले) लाखों पार्ट नंबर बना सकते हैं। बुनियादी कंपोनेंट एक बार क्वालिफ़ाई हो जाने पर उन्हें विभिन्न स्पेसिफ़िकेशन का समर्थन करने के लिए कॉन्फ़िगर किया जा सकता है।

सबसे बड़ी अप्रत्यक्ष बचतों में से एक उच्च गुणवत्ता और विश्वसनीयता हो सकती है। प्रोग्रामेबल MEMS ऑसिलेटर का DPPM 1 से कम है, और MTBF (विफलताओं के बीच औसत समय) 2 अरब घंटे से अधिक है, जो सामान्य क्वार्ट्ज़ डिवाइस से 50 गुना है। इसके अलावा, क्वार्ट्ज़ क्रिस्टल की तुलना में शॉक और वाइब्रेशन के तहत प्रोग्रामेबल MEMS ऑसिलेटर की टिके रहने की दर बहुत अधिक होती है।

क्वार्ट्ज़ क्रिस्टल की उच्च विफलता दर कई तरह से लागत बढ़ाती है, जैसे मूल कारण विश्लेषण के लिए अतिरिक्त संसाधन लागत, या अतिरिक्त सर्विस और रिप्लेसमेंट लागत। इसके अलावा, गुणवत्ता संबंधी समस्याएँ कंपनी की ब्रांड प्रतिष्ठा को बड़ा और लंबे समय तक चलने वाला नुकसान पहुँचा सकती हैं।

क्रिस्टल के बजाय ऑसिलेटर उपयोग करने से कई तरह से लागत कम हो सकती है। तो फिर ऑसिलेटर का उपयोग करके सारी परेशानियाँ और अतिरिक्त खर्च क्यों न हटा दिए जाएँ? जब खरीद टीम कंपोनेंट लागत घटाने पर ध्यान केंद्रित करे, तो याद रखें कि पूरी तस्वीर देखना ही लंबे समय में अंततः लागत बचाने की कुंजी है।