了解如何降低外部石英晶体振荡器功耗

MCU系列0或无线MCU系列0设备,并提供为振荡器电路选择正确元件的指南电路.

MCU系列0或无线MCU系列0设备包含两个晶体振荡器:一个低速(32.768K)和一个高速(4-50MHz,取决于设备,有关详细信息,请参见数据表).涵盖的主题包括振荡器理论和一些这些设备推荐的晶体.

要点

晶体振荡器更加精确,并且稳定,但是更贵,而且开始上升速度比钢筋混凝土和陶瓷振荡器.了解哪些参数很重要当选择振荡器时.了解如何降低功耗当使用外部振荡器时.

本应用笔记支持多个设备系列,并且某些功能因设备而异.

MCU系列0包括:

EFM32壁虎(EFM32G)

EFM32巨型壁虎(EFM32GG)

EFM32神奇壁虎(EFM32WG)

EFM32豹纹壁虎(EFM32LG)

EFM32微型壁虎(EFM32TG)

EFM32零壁虎(EFM32ZG)

快乐壁虎(EFM32HG)

无线MCU系列0包括:

EZR32神奇壁虎(EZR32WG)

EZR32豹纹壁虎(EZR32LG)

快乐壁虎(EZR32HG)

振荡器理论

2.振荡器理论

2.1什么是振荡器?

石英晶体振荡器是产生重复或周期性时变信号的电子电路.在MCU系列0或无线MCU系列0设备,此振荡器信号用于时钟执行指令,数字逻辑和中的通信设备.产生这种信号有多种方式,每种方式都有不同的特性,影响项目成本,电路板尺寸和时钟信号的稳定性.

RC振荡器

RC振荡器由电阻器,电容器和反相放大器组成.它们价格低廉,启动时间较短但是成分值随温度的变化使得很难精确地确定振荡频率.MCU系列0或无线MCU系列0设备至少提供三个内部RC振荡器:一个高频RC振荡器(HFRCO),一个低频RC振荡器(LFRCO)和一个超低频RC振荡器(ULFRCO).此外辅助高频RC振荡器(AUXHFRCO)用于闪存编程和调试跟踪.而内部RC振荡器将确保MCU系列0或无线MCU系列0设备的正常运行,一些应用需要比这些可以提供.

晶体振荡器

晶体振荡器利用晶振的机械振动来产生时钟信号.由于晶体的分子组成这种类型的振荡器在很宽的温度范围内非常精确和稳定.这最常用的晶体是石英晶体.生产石英晶体需要非常稳定的温度和压力条件在几周内.这使得晶体振荡器比RC振荡器更昂贵.

陶瓷谐振器

陶瓷谐振器的工作方式与晶体振荡器相同.它们更容易制造,因此比石英便宜晶体,但是振荡频率的精度较差.正如将在随后的章节中看到的,的质量因素陶瓷谐振器低于晶体振荡器,这通常导致更快的启动时间.这可能比一些应用的频率精度.

该篇文章将重点介绍石英晶振;然而,所提出的理论也适用于陶瓷谐振器.

2.1.1压电性

石英晶体和陶瓷谐振器具有直接压电特性.这意味着施加的电场会导致晶体变形.相反,晶体的变形将导致端子两端的电压.一旦振荡器启动,转换器振动晶体的端子上的ing电压被用作时钟信号.

2.2振荡器的基本原理

图2.1.简化反馈振荡器环路

振荡器背后的原理是满足巴克豪森条件的正反馈回路:如果闭环增益大于单位和总相位滞后为360°,由此产生的闭环系统是不稳定的,并且会自我强化.这是必要的,但不是振荡存在的充分条件.当满足必要的条件时,振荡器中的任何干扰(噪声)将导致振荡开始.满足巴克豪森条件的频率被放大得最多,因为它与原始信号.

初始振荡非常微弱,将信号放大到所需的幅度需要时间.当振荡建立时,只需要少量的能量来补偿电路中的损耗.从数学上讲,闭环增益为1需要保持稳态振荡.MCU系列0或无线MCU系列0依靠内部调节器来调节闭环当时钟信号达到期望的幅度时,增益为1.

图2.1第4页的简化反馈振荡器回路显示振荡器电路由两部分组成；放大级以及决定哪个频率经历360°相位滞后的滤波器.在晶体振荡器的情况下,滤波器由晶体组成和外部负载电容器.

2.2.1启动时间

闭环增益的大小对启动时间有很大影响.高增益时,信号的次数必须是减少了在环路周围传播以达到期望的振幅.为了快速启动,优选高增益.出于同样的原因,振荡频率会影响启动时间.kHz范围内的贴片晶振会有相当长的时间启动时间比MHz范围内的晶体更长,因为循环回路所需的时间更长.MCU的典型启动时间系列0或无线MCU系列0对于低频为200-400毫秒,在高频域为200-400秒.

2.3晶体建模

晶体可以用图2.2第5页晶体的等效电路来描述.

图2.2.晶体的等效电路

CS是运动电容.它代表从晶体位移中获得的压电电荷.

RS是运动阻力.它代表晶体中的机械损耗.

LS是运动电感.它代表晶体中的移动质量.

C0是电极之间的分流电容和外壳的杂散电容.

对于低频,等效电路将表现出电容行为,如图2.3电抗对频率所示在第5页.随着频率的增加,电感器的存在变得更加明显,电抗也随之增加.忽略并联电容C0,定义串联谐振频率,其中电感器和电容器的电抗抵消.在这个频率,因此,晶体看起来只是电阻性的,没有相移.因此,串联谐振频率fS决定了CS的值和LS,并且可以用下面的等式计算.串联谐振频率是自然谐振频率,其中机械能和电能之间的能量转换是最有效的.

图2.3.电抗对频率

在更高的频率下,等效电路将呈现电感性,这意味着更高的阻抗.当感抗从晶体抵消了并联电容C0的容抗,存在另一个零相移的谐振频率.这频率被称为反谐振频率fA.在这个频率下,阻抗处于最大值.晶体中的电感并且分流电容将相互馈送并且获得最低可能的电流消耗.

fS和fA之间的频率范围被称为平行共振区域,是晶体正常振荡的地方.在反馈回路中的谐振频率,相位滞后由具有180°相位滞后的放大器和具有组合的180°相位滞后.实际上,放大器提供了略大于180°的相移,这意味着晶体必须出现稍微归纳以满足巴克豪森标准.

2.3.1串联和并联谐振晶体

在物理上,串联和并联谐振晶体之间没有区别.串联谐振晶体被指定在晶体出现时没有电抗的串联谐振频率.因此,不应该存在外部电容,因为这将使振荡频率降低到低于自然共振频率.这些晶体用于具有以下功能的电路中振荡器电路不提供360°相移的外部电容器.

并联谐振晶体需要电容负载以特定频率振荡,这是所需的谐振模式MCU系列0或无线MCU系列0设备.MCU系列0或无线MCU系列0设备需要外部负载容量-职权范围.平行谐振晶体的精确振荡频率可以用下面的等式计算,其中CL是负载ca-晶体看到的电容.因此CL是一个重要的设计参数,并在平行谐振晶体数据表中给出.

3.MCU系列0或无线MCU系列0晶体振荡器

MCU系列0或无线MCU系列0设备包括各种振荡器,包括全内部低速和高速RC振荡器(不包括在本申请说明中).这些使得在没有任何外部振荡器的情况下,能够在所有能量模式下完全工作组件.如果应用程序需要更精确的时钟,MCU系列0或无线MCU系列0设备包括两个晶体振荡器,低频晶体振荡器(LFXO)和高频晶体振荡器(HFXO).这些振荡器需要外部时钟或晶体和负载电容器连接到设备的压控晶体振荡器引脚.LFXO支持带有标称频率为32.768kHz,而HFXO支持4至50MHz的频率,具体取决于设备-请参见数据表了解更多信息.还支持提供正弦波和方波的外部振荡器.参见AN0002:硬件设计说明寄存器设置和引脚连接的考虑事项.高频和低频时钟源都可以同时使用.

在MCU系列0或无线MCU系列0中,振荡器电路被设计为Pierce振荡器,如图3.1所示Pierce第7页MCU系列0或无线MCU系列0中的振荡器.

图3.1.MCU系列0或无线MCU系列0中的Pierce振荡器

众所周知,Pierce振荡器对于宽频率范围和低功耗是稳定的.

MCU系列0或无线MCU系列0晶体振荡器使用相对较低的振幅,这可能导致较低的振幅振荡频率比晶体数据表中的标称值要高.关于这种影响的更多信息在4.4频率中给出赛拉.

3.1超时和毛刺检测

确保XO时钟信号在稳定之前不会在MCU系列0或无线MCU系列0中内部使用HFXO和LFXO包括一个可配置的超时时间(详见AN0002:硬件设计注意事项).当XO启动时,超时计数器将计数到时钟信号传播到内部时钟树之前配置的周期数和数字逻辑.

对于MCU系列0或无线MCU系列0的HFXO,还可以启用毛刺检测器(HFXOGLITCHDETEN在CMU_CTRL).使用此设置,超时期间检测到的任何故障将导致超时计数器再次启动.这时钟将不会传播,直到它运行了一个没有故障的完整超时周期.在超时周期成功过去后毛刺检测器自动关闭以节省电力.

3.2配置器中的振荡器配置

SimplicityStudio中的[硬件配置器]包含一个工具,可帮助用户配置负载电容和软件设置用于使用LFXO和HFXO.一旦找到正确的硬件配置,设计者就可以输出应该在应用程序中运行.[硬件配置器]的软件设置用于确保可靠性是很重要的振荡器的操作.

3.3外部时钟和缓冲正弦输入

HFXO和LFXO振荡器可用作外部生成的数字时钟信号的输入.当在此使用振荡器时将时钟输入连接到HFXTAL_N或LFXTAL_N.这些输入的最大频率受的最大时钟频率限制设备(有关详细信息,请参阅设备数据表).外部缓冲的正弦信号也可以施加到HFXTAL_N,或LFXTAL_N引脚.该信号的推荐幅度在0.8和1.2Vpk-pk之间,频率必须与re-相同使用HFXO和LFXO晶体时需要(参见AN0002:寄存器设置的硬件设计注意事项).

4.晶体参数

4.1质量因素

品质因数Q是对能量在晶体中的效率或相对存储与能量耗散的度量.对于厄勒克特拉卡尔等效电路,下面的等式陈述了R,C和Q之间的关系.实际上,Q值越高的晶体越多准确,但是它们振荡的带宽较小.因此,高Q因子晶体通常比晶体启动得慢具有更高的频率容限.通常,晶体比陶瓷谐振器具有更高的Q因子.因此,可以预期晶体具有比陶瓷谐振器更长的启动时间.

XLS和XCS分别是LS和CS在晶体工作频率下的电抗.

4.2负载电容

如下式所示,两个电容器CL1和CL2为晶体提供电容负载.有效负载电容,从MCU系列0或无线MCU系列0上的XTAL_N和XTAL_P引脚可以看出,CL是CL1和CL2接地.

其中Cstray是微控制器的引脚电容和任何寄生电容,通常可以假设在2-5pF的范围内.正确选择CL对于正确的工作频率非常重要.具有小负载电容的石英晶体谐振器通常比需要大CL的晶体.大负载电容器也增加了功耗.建议使用带有CL的晶体作为在6中详细说明.推荐晶体.MCU系列0或无线MCU系列0设备数据表也包含更多信息在允许的负载电容范围内.

注:MCU系列0或无线MCU系列0设备需要在XTAL_N和之间连接外部负载电容XTAL_P引脚和接地.

4.3等效串联电阻

等效串联电阻是振荡期间晶体中的电阻,随谐振频率而变化.ESR,给定通过下面的等式,通常会随着振荡频率的增加而减小.

MCU系列0或无线MCU系列0的HFXO/LFXO电路不能保证ESR大于a的晶体启动一定限度.有关详细信息,请参阅设备数据表.ESR越小,与这个最大值相比,越好获得晶体启动的余量,这又减少了启动时间.此外,较小的ESR值会降低功耗振荡期间的消耗.

请注意,与LF晶体相比,HF晶体的ESR为几十欧姆,LF晶体的ESR值通常在中测量科恩.因此,与kHz相比,几欧姆的串联电阻对MHz范围内的启动裕度有更大的影响距离.

4.4频率牵引

由于MCU系列0或无线MCU系列0中的晶体振荡器使用相对较低的振荡幅度,因此振荡频率当使用建议的负载电容时,频率可以低于数据表中的规定.这种偏移最好通过测量找到使用建议的负载电容时产生的频率.偏移将是稳定的,不受温度,电压或者老化.如果希望达到温度补偿晶振的标称频率,有两种选择:

选项A-向晶体供应商订购标称频率等于您想要达到的频率的晶体测量的偏移频率.

选项B——通过调整负载电容(CL1和CL2),可以稍微改变晶体的振荡频率.

这振荡系统的可拉性是指通过改变晶体的谐振频率,可以调谐晶体的谐振频率的程度这些值.晶体看到这些电容器串联接地,与闭环并联.因此,它们会稍微改变晶体的反共振频率.下面的等式显示了以ppm单位表示的频率变化的可拉性pF中组合负载电容的变化.

4.5驱动器级别

驱动电平是压电石英晶体中耗散功率的量度.晶体制造商应指定最大功耗晶体数据表中晶体所容许的值.超过这个值会损坏晶体.

我是流经晶体的均方根电流.如果需要,可以添加外部电阻来限制驱动电平；然而这是除非DL太高,否则不推荐,因为它会降低增益裕度并增加振荡器的功耗.

4.6最小负电阻

振荡形成的关键条件要求提供的能量超过电路中耗散的能量.换句话说,放大器的负电阻必须超过晶体中的等效串联电阻.负的近似公式活性电阻在下面的等式中给出.

其中gm是振荡器电路的跨导.为了确保在所有电压和温度变化下的安全运行允许的最低Rneg由下面的等式给出.

如果负电阻不足以满足该标准,则需要另一种ESR和/或负载能力要求较低的晶体应该被选择.[硬件配置器中的XO配置器]能够为您的基于负载和分流电容,内部损耗和频率的设计.上面的等式显示了这一计算不包括并联电容和内部损耗.

4.7频率稳定性

频率稳定性是在给定工作温度下,与指定振荡频率的最大频率偏差距离.

4.8频率公差

频率容差是25°C时与指定振荡频率的最大频率偏差各个晶体之间变化的指示.

4.9PCB布局

为了最小化寄生天线和寄生耦合现象引起的噪声敏感度,晶体,电容tor(需要时)和MCU系列0或无线MCU系列0振荡器引脚应尽可能短.如果不可能的话为了将外部有源晶振振荡器组件放置在振荡器引脚附近,在路由这些信号时应小心.避免长时间MCU系列0或无线MCU系列0封装和其他电路下面的迹线可能会与产生虚假耦合逻辑活动.也避免通过晶体区域路由任何其他信号.

两个电容器的接地侧(如果需要外部电容器)必须接地.这些联系应该是对于每个电容器,尽可能短且长度相等.确保振荡器下面的接地层良好质量.不要在振荡器下面使用单独的接地平面,该接地平面与参考接地的连接很窄,因为这可能会起到天线.为了避免与周围信号迹线耦合,最好在振荡器周围放置接地保护环以及它的组成部分.

4.10软件配置

MCU系列0或无线MCU系列0允许HFXO和LFXO跨导(gm)的运行时配置在振荡建立期间.使用以下位字段:

高频振荡器

CMU_CTRL中的HFXOBOOST[1:0]

LFXO

CMU_CTRL中的线性反馈增强功能

EMU_AUXCTRL中的REDLFXOBOOST(仅适用于EFM32GG设备)

这些位的推荐设置取决于振荡器设计的负载和分路电容.LFXO/HFXO配置-[硬件配置器中的urator]创建C代码,根据晶体的频率,最大ESR,分路和负载电容.重要的是,这些建议应作为incor-来遵循矩形设置会导致石英晶体振荡器的不可靠操作.