康比電子該應(yīng)用筆記討論了如何降低振蕩器功耗,同時實現(xiàn)最佳振蕩裕度——使用石英晶體設(shè)計與節(jié)能低功耗SoC相匹配.已發(fā)表的測量結(jié)果證明了設(shè)計可靠,低功耗振蕩器的關(guān)鍵原則.隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛.節(jié)能是全球化的熱潮,如計算機(jī)里的許多芯片過去用5V供電,現(xiàn)在用3.3V,1.8V,并提出了綠色系統(tǒng)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(tǒng)的低功耗設(shè)計一直都是電子工程技術(shù)人員設(shè)計時需要考慮的重要因素.
振蕩器基礎(chǔ)
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(shè)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(qū)動.開發(fā)人員通常應(yīng)用超低功耗片上系統(tǒng)(SoC)無線電/處理器來支持具有多年電池壽命的小型設(shè)備.通常,這種產(chǎn)品成本和尺寸的主導(dǎo)因素是電池,電池尺寸由待機(jī)電流主導(dǎo),待機(jī)電流由低頻時鐘振蕩器主導(dǎo).
圖1顯示了大多數(shù)SoC中使用的皮爾斯振蕩器配置.振蕩器環(huán)路由反相放大器和反饋電阻(芯片內(nèi)部)以及精密相移電路組成,精密相移電路由晶體(X)和負(fù)載電容C1和C2組成.當(dāng)放大器的輸出反饋到輸入端時,它會產(chǎn)生負(fù)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(xiàn)與增益不足和高晶體負(fù)載相關(guān)的啟動問題.為了在省電的同時避免啟動問題,開發(fā)人員需要對決定待機(jī)電流和振蕩器可靠性的因素做出明智的設(shè)計決策.換句話說,振蕩器既需要汲取低電流,又必須在生產(chǎn)變化和溫度范圍內(nèi)可靠啟動.
圖2-負(fù)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(yīng)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(guān)的處理器/微控制器設(shè)置.
為了進(jìn)一步了解,圖2將振蕩器描述為負(fù)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(shù)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(fù)電阻Rn=Re+Ra
Re是等效串聯(lián)電阻(通常稱為等效串聯(lián)電阻)
等效串聯(lián)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(fù)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(shù)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(fā)過程中,測量辦公自動化經(jīng)常被忽略,這可能導(dǎo)致以后產(chǎn)生問題.
振蕩裕量-預(yù)測可靠啟動
振蕩裕量,也稱為閉環(huán)增益裕量,是一個用來描述振蕩器可靠性的術(shù)語,其品質(zhì)因數(shù)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(dǎo)致產(chǎn)量和與溫度相關(guān)的啟動問題.理想和穩(wěn)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(xiàn)代SOC的設(shè)計特別注重在振蕩器電路中實現(xiàn)低電流.他們使用自動增益控制或可選增益設(shè)置來將振蕩幅度設(shè)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(yōu)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(jīng)電阻的電流循環(huán)而導(dǎo)致功耗.當(dāng)CL較大時,電流增加.因此,當(dāng)Rm和CL同時降低時,功耗最低.
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