康比電子該應用筆記討論了如何降低振蕩器功耗,同時實現最佳振蕩裕度——使用石英晶體設計與節能低功耗SoC相匹配.已發表的測量結果證明了設計可靠,低功耗振蕩器的關鍵原則.隨著計算機技術和微電子技術的迅速發展,嵌入式系統應用領域越來越廣泛.節能是全球化的熱潮,如計算機里的許多芯片過去用5V供電,現在用3.3V,1.8V,并提出了綠色系統的概念.很多廠商很注重微控制器的低功耗問題.電路與系統的低功耗設計一直都是電子工程技術人員設計時需要考慮的重要因素.
振蕩器基礎
圖1-皮爾斯振蕩器框圖
對低電流,可靠晶體振蕩器的需求
對電池供電/長壽命無線設備的需求正在增加.需求由越來越實惠,高能效的處理器和無線電驅動.開發人員通常應用超低功耗片上系統(SoC)無線電/處理器來支持具有多年電池壽命的小型設備.通常,這種產品成本和尺寸的主導因素是電池,電池尺寸由待機電流主導,待機電流由低頻時鐘振蕩器主導.
圖1顯示了大多數SoC中使用的皮爾斯振蕩器配置.振蕩器環路由反相放大器和反饋電阻(芯片內部)以及精密相移電路組成,精密相移電路由晶體(X)和負載電容C1和C2組成.當放大器的輸出反饋到輸入端時,它會產生負電阻,并在正確的條件下振蕩.
眾所周知,極低功率石英晶體振蕩器會出現與增益不足和高晶體負載相關的啟動問題.為了在省電的同時避免啟動問題,開發人員需要對決定待機電流和振蕩器可靠性的因素做出明智的設計決策.換句話說,振蕩器既需要汲取低電流,又必須在生產變化和溫度范圍內可靠啟動.
圖2-負阻振蕩器模型
由于時鐘電源效率的重要性,SoC采用了多種時鐘管理方法.本應用筆記研究兩種最常見的時鐘管理方法:自動增益控制和可選增益.了解這兩種方法如何與石英晶振特性相互作用,將支持明智的晶體選擇和相關的處理器/微控制器設置.
為了進一步了解,圖2將振蕩器描述為負電阻(Rn),電路電抗(Xc),諧振器電抗(XR)和諧振器電阻(RR)的組合.如果Rn>RR,電路將以Xc=-XR的頻率振蕩.
圖3顯示了一個振蕩器,重點是晶體等效電路.
圖4說明了辦公自動化的實際測量,并提供了對術語“辦公自動化”有用性的洞察.這里,振蕩回路包括一個附加電阻Ra.通過增加Ra直到有源晶振振蕩器不再啟動來測量OA,然后OA計算如下:
振蕩容限=OA=Rn/Re
Rn是負電阻Rn=Re+Ra
Re是等效串聯電阻(通常稱為等效串聯電阻)
等效串聯電阻=Rmx(1+鈷/氯)
Rm是晶體運動電阻,Co是晶體封裝寄生電容,C1和C2是晶體負載/電鍍電容
(共同表示CL)Lm是晶體運動電感Cm是晶體運動電容
OA對石英晶體諧振器參數有顯著的依賴性,并且隨著Rm和CL的增加而降低.對于振蕩幅度相對較小的極低功率振蕩器,這種依賴性顯著增加.在開發過程中,測量辦公自動化經常被忽略,這可能導致以后產生問題.
振蕩裕量-預測可靠啟動
振蕩裕量,也稱為閉環增益裕量,是一個用來描述振蕩器可靠性的術語,其品質因數描述振蕩器對附加損耗的容忍度.眾所周知,小于5的OA是不可接受的,低OA會導致產量和與溫度相關的啟動問題.理想和穩健的OA大于20,以解決最終解決方案的電路板偏差,以及晶體層面的器件間和批次間差異;以及SoC.
功耗因素
現代SOC的設計特別注重在振蕩器電路中實現低電流.他們使用自動增益控制或可選增益設置來將振蕩幅度設置得盡可能低,同時保持可靠的石英晶體振蕩器(高OA).公平地說,電路效率得到了很好的優化.然而,由于晶體本身造成的功率損耗通常被忽略,這一因素可能很重要.參考圖3,運動電阻Rm會因流經電阻的電流循環而導致功耗.當CL較大時,電流增加.因此,當Rm和CL同時降低時,功耗最低.
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