对低电流可靠石英晶体振荡器的需求

康比电子该应用笔记讨论了如何降低振荡器功耗,同时实现最佳振荡裕度——使用石英晶体设计与节能低功耗SoC相匹配.已发表的测量结果证明了设计可靠,低功耗振荡器的关键原则.随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式系统应用领域越来越广泛.节能是全球化的热潮,如计算机里的许多芯片过去用5V供电,现在用3.3V,1.8V,并提出了绿色系统的概念.很多厂商很注重微控制器的低功耗问题.电路与系统的低功耗设计一直都是电子工程技术人员设计时需要考虑的重要因素.

振荡器基础

图1-皮尔斯振荡器框图

对低电流,可靠晶体振荡器的需求

对电池供电/长寿命无线设备的需求正在增加.需求由越来越实惠,高能效的处理器和无线电驱动.开发人员通常应用超低功耗片上系统(SoC)无线电/处理器来支持具有多年电池寿命的小型设备.通常,这种产品成本和尺寸的主导因素是电池,电池尺寸由待机电流主导,待机电流由低频时钟振荡器主导.

图1显示了大多数SoC中使用的皮尔斯振荡器配置.振荡器环路由反相放大器和反馈电阻(芯片内部)以及精密相移电路组成,精密相移电路由晶体(X)和负载电容C1和C2组成.当放大器的输出反馈到输入端时,它会产生负电阻,并在正确的条件下振荡.

众所周知,极低功率石英晶体振荡器会出现与增益不足和高晶体负载相关的启动问题.为了在省电的同时避免启动问题,开发人员需要对决定待机电流和振荡器可靠性的因素做出明智的设计决策.换句话说,振荡器既需要汲取低电流,又必须在生产变化和温度范围内可靠启动.

图2-负阻振荡器模型

由于时钟电源效率的重要性,SoC采用了多种时钟管理方法.本应用笔记研究两种最常见的时钟管理方法:自动增益控制和可选增益.了解这两种方法如何与石英晶振特性相互作用,将支持明智的晶体选择和相关的处理器/微控制器设置.

为了进一步了解,图2将振荡器描述为负电阻(Rn),电路电抗(Xc),谐振器电抗(XR)和谐振器电阻(RR)的组合.如果Rn>RR,电路将以Xc=-XR的频率振荡.

图3显示了一个振荡器,重点是晶体等效电路.

图4说明了办公自动化的实际测量,并提供了对术语“办公自动化”有用性的洞察.这里,振荡回路包括一个附加电阻Ra.通过增加Ra直到有源晶振振荡器不再启动来测量OA,然后OA计算如下:

振荡容限=OA=Rn/Re

Rn是负电阻Rn=Re+Ra

Re是等效串联电阻(通常称为等效串联电阻)

等效串联电阻=Rmx(1+钴/氯)

Rm是晶体运动电阻,Co是晶体封装寄生电容,C1和C2是晶体负载/电镀电容

(共同表示CL)Lm是晶体运动电感Cm是晶体运动电容

OA对石英晶体谐振器参数有显著的依赖性,并且随着Rm和CL的增加而降低.对于振荡幅度相对较小的极低功率振荡器,这种依赖性显著增加.在开发过程中,测量办公自动化经常被忽略,这可能导致以后产生问题.

振荡裕量-预测可靠启动

振荡裕量,也称为闭环增益裕量,是一个用来描述振荡器可靠性的术语,其品质因数描述振荡器对附加损耗的容忍度.众所周知,小于5的OA是不可接受的,低OA会导致产量和与温度相关的启动问题.理想和稳健的OA大于20,以解决最终解决方案的电路板偏差,以及晶体层面的器件间和批次间差异;以及SoC.

功耗因素

现代SOC的设计特别注重在振荡器电路中实现低电流.他们使用自动增益控制或可选增益设置来将振荡幅度设置得尽可能低,同时保持可靠的石英晶体振荡器(高OA).公平地说,电路效率得到了很好的优化.然而,由于晶体本身造成的功率损耗通常被忽略,这一因素可能很重要.参考图3,运动电阻Rm会因流经电阻的电流循环而导致功耗.当CL较大时,电流增加.因此,当Rm和CL同时降低时,功耗最低.