可穿戴和低功耗:性能优化的石英晶体

可穿戴和低功耗:性能优化的石英晶体,物联网市场正以爆炸式的速度增长，物联网相关的行业预测为4700亿美元硬件、软件和其他全面的解决方案。目前安装了154亿台设备 预计到2020年将超过307亿。包括英特尔、ARM、三星和高通在内的主要IC OEM厂商都在积极参与开发，降低到10纳米甚至7纳米FinFET结构的工艺几何尺寸。

这一行业趋势背后的主要驱动力与总消耗量的减少有关动力，同时提升整体性能。这项努力是为了促进实际的实施电池供电的终端解决方案(消费电子、医疗、物联网、工业等。)，需要在功能丰富的环境中功耗极低。然而，这些进步显著地冲击了传统的时钟电路集成时钟方案，主要基于世界著名的皮尔斯振荡器配置。

随着低功耗工作变得至关重要，电流镜偏置反相放大器级Pierce振荡器环路中的“饥饿”放大器。这种方法对反相放大器模块的跨导，进而对正向增益产生深远影响石英晶体振荡器电路的裕量(GM)。

正向增益(GM)和放大器跨导之间的关系定义如下: GM=gm / gmcritical (1) 鉴于: gm =反相放大器的跨导，单位为A/V gm(critical) =使放大器保持在线性区域的临界跨导值 对于使用反相放大器作为增益级的鲁棒振荡，已经建立了一个很好的 行业惯例以GM > 5.0为目标，最低期望值> 3.0。对于闭环振荡器电路，gm(临界)定义如下: gm(临界)= 4 * ESR * (2πF)2*(C0 +氯)2 (2)

ESR=谐振器元件(通常为石英晶体)的有效串联电阻…单位为kω或 ω的。

F=谐振器元件的谐振频率(在石英晶体的情况下，通常是平行的特定电镀负载下的共振频率)…单位为kHz或MHz C0 =复合封装和谐振器元件的电极电容……单位为pF。 CL =谐振器元件的电镀负载……单位为pF。 根据等式(1)，为了获得更高的gm值，最好降低GM(临界)值。来自等式 (2)对于增加GM值的最终目标，关键是减少所有三个参数的影响 (ESR、C0和CL)。

通过仔细设计电极图案以及利用，可以很好地控制C0的值先进的小尺寸陶瓷封装。然而，ESR和CL提出了一个独特的挑战。 这两个参数具有不同的相关性，这意味着随着CL降低，ESR趋于上升，因此净影响趋于持平或恶化。这一挑战随着内在gm值的显著降低而进一步加剧 几何FPGAs、控制器、处理器、ASSP等。例如，基于14纳米节点，低能耗控制器规定32.768kHz嵌入式振荡器环路的gm值低至2.7 A/V。让我们举例说明在固定gm和下，不同电镀负载对闭环增益余量(GM)的影响32.768k晶振环路中的C0值，音叉、32.768kHz晶体的ESR方差。从该分析中可以明显看出，晶体电镀负载对闭环增益余量(GM)有着深远的影响；具有固定的C0和gm值。此外，随着gm值在10nm和更小的范围内减小 几何硅，维持振荡的能力将变得越来越具有挑战性。

为了实现最佳在线性能，Abracon优化了电极模式，以降低C0的整体效应，从而保证最大(电极+封装)电容为2.0pF in 2.0x1.2x0.6mm毫米封装和业界领先的1.30pF最大值，采用3.2x1.5x0.9毫米封装。 凭借革命性的毛坯设计和加工技术，Abracon能够大幅减少这些解决方案的ESR超过了工作温度范围为-40℃至+125 ℃;同时将电镀负载降低到业界领先的3.0 pF。

Abracon采用了独特的生产调整技术来提高设定公差和ESR室温下的分布。

Abracon能够以行业领先的4.0 pF电镀电容电镀这些溶液，同时保持尽可能小的ESR值可确保这些解决方案不仅能与当今的解决方案完美匹配，22纳米或14纳米FinFET技术，但更重要的是，经过优化以确保最佳性能 在不久的将来，下一代解决方案将包括5纳米节点。