將石英替換為MEMS振蕩器以降低功耗
來源：http://m.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年06月24
低功耗特性是目前振蕩器產(chǎn)品的基本要求,但是否每一款型號(hào)都屬于低功耗呢?答案是否定的,雖然現(xiàn)在大部分的石英晶體振蕩器都說是低功耗,但也是一般級(jí)別的低功耗,如遇上非常高要求的產(chǎn)品,普通的低功耗是無法滿足需要的.幾十年來,工程師們不斷研發(fā)降低功耗的方法與技術(shù),到目前為止算是進(jìn)入到比較成熟的時(shí)期,發(fā)現(xiàn)的方法不斷有好幾種,而且也比較有效.
一些MEMS振蕩器具有超低功率輸出,僅消耗納安的電流.此外,大多數(shù)MEMS振蕩器采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)額外的功耗節(jié)省.例如,SiT15xx振蕩器系列具有以下獨(dú)特的節(jié)能特性.
•最低功耗32.768K有源晶振,750nA核心電源電流(典型值)
•低至1.2V的低電壓工作
•可編程頻率低至1Hz
•NanoDrive可編程輸出,可降低電壓擺幅
基于MEMS的振蕩器提供了幾種石英設(shè)備無法提供的可編程功能.基本的可編程功能包括頻率,電壓和穩(wěn)定性.例如,SiT15xx系列的可編程頻率范圍介于1Hz和32.768kHz之間,功率為2.降低頻率會(huì)顯著降低輸出負(fù)載電流(C*V*F).將輸出頻率從32.768kHz降低至1Hz可將負(fù)載電流降低99％以上.低頻OSCillator非常適合低頻參考時(shí)鐘始終運(yùn)行的應(yīng)用.相比之下,由于諧振器在低頻時(shí)的物理尺寸限制,石英XTAL不能提供低于32.768kHz的頻率.
SiT15xx系列的另一個(gè)可編程特性是Nano Drive,一種獨(dú)特的可編程輸出擺幅(見圖2).使用NanoDrive,輸出擺幅可從全擺幅到200mV進(jìn)行編程,以匹配SoC/MCU的下游振蕩器輸入.通過優(yōu)化輸出級(jí),可實(shí)現(xiàn)顯著的功率節(jié)省.
圖2:獨(dú)特的NanoDrive輸出擺幅可編程低至200mV,以最大限度地降低功耗
用MEMS振蕩器替換石英XO以降低功率:
對(duì)于MHz參考時(shí)鐘應(yīng)用,某些振蕩器有一些特殊功能可以幫助保持低功耗.
•低電源電流
•微功耗待機(jī)模式
•快速恢復(fù)時(shí)間
•低至1.8V的低電壓工作
對(duì)于單端CMOS兼容振蕩器,典型的低功耗MHz振蕩器功耗小于5mA.例如,SiTime的低功耗SiT1602和SiT8008 CMOS兼容振蕩器的電流消耗為3.4(典型值).差分振蕩器由于其輸出結(jié)構(gòu)而消耗更多電流.如果需要差分晶體振蕩器但接收模塊可靈活選擇差分邏輯,則LVDS功耗最低.LVPECL和CML邏輯消耗更多功率.LVPECL輸出限制為3.3V和5V電源,而一些LVDS兼容振蕩器可以容納2.5V電源.
待機(jī)模式和快速恢復(fù)時(shí)間也有助于節(jié)省電力.但是,基本振蕩器不包括低電源電流以外的省電功能.傳統(tǒng)振蕩器包括Vdd引腳和可選輸出使能(OE)控制引腳.OE功能不是省電功能.它只是禁用輸出級(jí),同時(shí)保持振蕩器電路偏置.因此,關(guān)閉振蕩器的唯一方法是在Vdd輸入和電源之間添加一個(gè)FET.但是一些振蕩器,例如來自SiTime的振蕩器,包括待機(jī)(ST)控制引腳,可將電源電流降至μA電平,并且無需外部FET來對(duì)Vdd電源進(jìn)行門控.例如,SiT1602和SiT8008振蕩器的電源電流在待機(jī)模式下降至0.6μA.
除了基本功耗之外,某些應(yīng)用只有在接收模塊需要時(shí)鐘源時(shí)才能打開時(shí)鐘參考.一個(gè)例子是RFIC塊.在周期性地需要與諸如網(wǎng)絡(luò)或聚合點(diǎn)之類的另一點(diǎn)通信的系統(tǒng)中,僅在收發(fā)器活動(dòng)期間打開RFIC.在這種情況下,時(shí)鐘振蕩器的開啟時(shí)間非常重要.在有源晶振上電周期完成之前,振蕩器輸出無效,這通常需要5到10ms.在短啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)指定振蕩器有助于降低功耗.由于時(shí)鐘源僅在啟動(dòng)后有效,因此系統(tǒng)在等待振蕩器完成其上電周期之前消耗功率,然后才能開始其通信過程.
從待機(jī)(ST)狀態(tài)操作振蕩器將通過啟動(dòng)比傳統(tǒng)Vdd啟動(dòng)時(shí)間快大約2.5倍來節(jié)省功率.從待機(jī)狀態(tài)開始稱為恢復(fù)時(shí)間.例如,SiTime振蕩器的恢復(fù)時(shí)間為4到5ms.電源電壓是另一個(gè)重要的電源考慮因素.如果有1.8V電源電壓,選擇可以在1.8V電壓下運(yùn)行的CMOS兼容振蕩器與更常見的2.5V振蕩器選項(xiàng)相比可以節(jié)省大量功率.將電源電壓從2.5V降至1.8V可將功耗降低25％.
引腳兼容的封裝中的低EMI輸出選項(xiàng):
對(duì)于功耗敏感的便攜式應(yīng)用,例如筆記本電腦,平板電腦,電子閱讀器和WiFi設(shè)備,通?？梢酝ㄟ^使用特殊的時(shí)鐘功能來滿足EMI要求.許多設(shè)計(jì)都以標(biāo)準(zhǔn)振蕩器開始.隨著工程原型的構(gòu)建和EMI測(cè)試的進(jìn)行,振蕩器受到嚴(yán)格審查,因?yàn)橛捎谄涓哳l時(shí)鐘邊沿,時(shí)鐘是EMI的主要來源.當(dāng)EMI必須降低時(shí),設(shè)計(jì)人員將專注于時(shí)鐘.
利用可編程架構(gòu),SiTime可編程振蕩器可以通過使用擴(kuò)頻或調(diào)整輸出邊沿速率輕松編程以降低EMI,同時(shí)保持原始引腳排列.設(shè)計(jì)人員可以通過添加擴(kuò)頻或選擇較慢的輸出邊沿速率來滿足低EMI指導(dǎo),而無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行任何更改.
振蕩器占用空間更小,是XTAL布局限制的替代方案:
許多綠色和低功耗應(yīng)用具有小的外形尺寸,并且需要具有最小尺寸的組件.XTAL具有非常嚴(yán)格的布局指導(dǎo),必須非?？拷黃oC或MCUXTAL輸入,如圖3所示.由于振蕩器具有標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出,因此它們對(duì)布局問題不太敏感,并且可以驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)走線.因此,與XTAL相比,振蕩器的布局具有更大的靈活性.
圖3a:XTAL組件放置
圖3b:硅MEMS元件放置
SiTime的振蕩器采用芯片級(jí)封裝(CSP),尺寸小至1.5x0.8mm,封裝高度僅為0.55mm,可實(shí)現(xiàn)更小的占位面積.如果使用1508CSP中的MEMS振蕩器(無需電容器)來替換常見的2.0x1.2封裝中的傳統(tǒng)XTAL以及所需的兩個(gè)電容器,則總占位面積將減少80％.考慮到XO在電路板設(shè)計(jì)中提供的靈活性,可以進(jìn)一步減少總電路板面積.
MEMS振蕩器消除了頻率限制:
由于在基于石英的制造工藝中難以產(chǎn)生新的頻率,石英晶體和振蕩器被限制在特定的可用頻率.由于SiTime的MEMS振蕩器是可編程的,因此任何頻率都可在1Hz至650MHz范圍內(nèi)使用,精度最高可達(dá)6位小數(shù).系統(tǒng)架構(gòu)師必須了解頻率選項(xiàng)并在設(shè)計(jì)過程早期充分利用這種靈活性,以便優(yōu)化處理器以獲得最佳頻率,并降低負(fù)載電流.
所有基于晶體的解決方案,無論是石英晶體還是振蕩器,都具有工程師必須接受和解決的固有限制.然而,新的基于MEMS的參考時(shí)鐘提供了具有優(yōu)越性能和靈活性的解決方案,以解決石英的局限性.SiTime MEMS時(shí)序解決方案提供以下功能.
·省電功能,如低電壓操作,快速啟動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間,以及可編程輸出擺幅
·1Hz至650MHz之間的任何頻率
·低EMI輸出選項(xiàng),包括擴(kuò)頻和輸出邊沿速率控制
SiTime的MEMS硅晶振為低功耗和綠色應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考時(shí)鐘解決方案.
一些MEMS振蕩器具有超低功率輸出,僅消耗納安的電流.此外,大多數(shù)MEMS振蕩器采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)額外的功耗節(jié)省.例如,SiT15xx振蕩器系列具有以下獨(dú)特的節(jié)能特性.
•最低功耗32.768K有源晶振,750nA核心電源電流(典型值)
•低至1.2V的低電壓工作
•可編程頻率低至1Hz
•NanoDrive可編程輸出,可降低電壓擺幅
基于MEMS的振蕩器提供了幾種石英設(shè)備無法提供的可編程功能.基本的可編程功能包括頻率,電壓和穩(wěn)定性.例如,SiT15xx系列的可編程頻率范圍介于1Hz和32.768kHz之間,功率為2.降低頻率會(huì)顯著降低輸出負(fù)載電流(C*V*F).將輸出頻率從32.768kHz降低至1Hz可將負(fù)載電流降低99％以上.低頻OSCillator非常適合低頻參考時(shí)鐘始終運(yùn)行的應(yīng)用.相比之下,由于諧振器在低頻時(shí)的物理尺寸限制,石英XTAL不能提供低于32.768kHz的頻率.
SiT15xx系列的另一個(gè)可編程特性是Nano Drive,一種獨(dú)特的可編程輸出擺幅(見圖2).使用NanoDrive,輸出擺幅可從全擺幅到200mV進(jìn)行編程,以匹配SoC/MCU的下游振蕩器輸入.通過優(yōu)化輸出級(jí),可實(shí)現(xiàn)顯著的功率節(jié)省.
圖2:獨(dú)特的NanoDrive輸出擺幅可編程低至200mV,以最大限度地降低功耗
對(duì)于MHz參考時(shí)鐘應(yīng)用,某些振蕩器有一些特殊功能可以幫助保持低功耗.
•低電源電流
•微功耗待機(jī)模式
•快速恢復(fù)時(shí)間
•低至1.8V的低電壓工作
對(duì)于單端CMOS兼容振蕩器,典型的低功耗MHz振蕩器功耗小于5mA.例如,SiTime的低功耗SiT1602和SiT8008 CMOS兼容振蕩器的電流消耗為3.4(典型值).差分振蕩器由于其輸出結(jié)構(gòu)而消耗更多電流.如果需要差分晶體振蕩器但接收模塊可靈活選擇差分邏輯,則LVDS功耗最低.LVPECL和CML邏輯消耗更多功率.LVPECL輸出限制為3.3V和5V電源,而一些LVDS兼容振蕩器可以容納2.5V電源.
待機(jī)模式和快速恢復(fù)時(shí)間也有助于節(jié)省電力.但是,基本振蕩器不包括低電源電流以外的省電功能.傳統(tǒng)振蕩器包括Vdd引腳和可選輸出使能(OE)控制引腳.OE功能不是省電功能.它只是禁用輸出級(jí),同時(shí)保持振蕩器電路偏置.因此,關(guān)閉振蕩器的唯一方法是在Vdd輸入和電源之間添加一個(gè)FET.但是一些振蕩器,例如來自SiTime的振蕩器,包括待機(jī)(ST)控制引腳,可將電源電流降至μA電平,并且無需外部FET來對(duì)Vdd電源進(jìn)行門控.例如,SiT1602和SiT8008振蕩器的電源電流在待機(jī)模式下降至0.6μA.
除了基本功耗之外,某些應(yīng)用只有在接收模塊需要時(shí)鐘源時(shí)才能打開時(shí)鐘參考.一個(gè)例子是RFIC塊.在周期性地需要與諸如網(wǎng)絡(luò)或聚合點(diǎn)之類的另一點(diǎn)通信的系統(tǒng)中,僅在收發(fā)器活動(dòng)期間打開RFIC.在這種情況下,時(shí)鐘振蕩器的開啟時(shí)間非常重要.在有源晶振上電周期完成之前,振蕩器輸出無效,這通常需要5到10ms.在短啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)指定振蕩器有助于降低功耗.由于時(shí)鐘源僅在啟動(dòng)后有效,因此系統(tǒng)在等待振蕩器完成其上電周期之前消耗功率,然后才能開始其通信過程.
從待機(jī)(ST)狀態(tài)操作振蕩器將通過啟動(dòng)比傳統(tǒng)Vdd啟動(dòng)時(shí)間快大約2.5倍來節(jié)省功率.從待機(jī)狀態(tài)開始稱為恢復(fù)時(shí)間.例如,SiTime振蕩器的恢復(fù)時(shí)間為4到5ms.電源電壓是另一個(gè)重要的電源考慮因素.如果有1.8V電源電壓,選擇可以在1.8V電壓下運(yùn)行的CMOS兼容振蕩器與更常見的2.5V振蕩器選項(xiàng)相比可以節(jié)省大量功率.將電源電壓從2.5V降至1.8V可將功耗降低25％.
引腳兼容的封裝中的低EMI輸出選項(xiàng):
對(duì)于功耗敏感的便攜式應(yīng)用,例如筆記本電腦,平板電腦,電子閱讀器和WiFi設(shè)備,通?？梢酝ㄟ^使用特殊的時(shí)鐘功能來滿足EMI要求.許多設(shè)計(jì)都以標(biāo)準(zhǔn)振蕩器開始.隨著工程原型的構(gòu)建和EMI測(cè)試的進(jìn)行,振蕩器受到嚴(yán)格審查,因?yàn)橛捎谄涓哳l時(shí)鐘邊沿,時(shí)鐘是EMI的主要來源.當(dāng)EMI必須降低時(shí),設(shè)計(jì)人員將專注于時(shí)鐘.
利用可編程架構(gòu),SiTime可編程振蕩器可以通過使用擴(kuò)頻或調(diào)整輸出邊沿速率輕松編程以降低EMI,同時(shí)保持原始引腳排列.設(shè)計(jì)人員可以通過添加擴(kuò)頻或選擇較慢的輸出邊沿速率來滿足低EMI指導(dǎo),而無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行任何更改.
振蕩器占用空間更小,是XTAL布局限制的替代方案:
許多綠色和低功耗應(yīng)用具有小的外形尺寸,并且需要具有最小尺寸的組件.XTAL具有非常嚴(yán)格的布局指導(dǎo),必須非?？拷黃oC或MCUXTAL輸入,如圖3所示.由于振蕩器具有標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出,因此它們對(duì)布局問題不太敏感,并且可以驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)走線.因此,與XTAL相比,振蕩器的布局具有更大的靈活性.
圖3a:XTAL組件放置
圖3b:硅MEMS元件放置
MEMS振蕩器消除了頻率限制:
由于在基于石英的制造工藝中難以產(chǎn)生新的頻率,石英晶體和振蕩器被限制在特定的可用頻率.由于SiTime的MEMS振蕩器是可編程的,因此任何頻率都可在1Hz至650MHz范圍內(nèi)使用,精度最高可達(dá)6位小數(shù).系統(tǒng)架構(gòu)師必須了解頻率選項(xiàng)并在設(shè)計(jì)過程早期充分利用這種靈活性,以便優(yōu)化處理器以獲得最佳頻率,并降低負(fù)載電流.
所有基于晶體的解決方案,無論是石英晶體還是振蕩器,都具有工程師必須接受和解決的固有限制.然而,新的基于MEMS的參考時(shí)鐘提供了具有優(yōu)越性能和靈活性的解決方案,以解決石英的局限性.SiTime MEMS時(shí)序解決方案提供以下功能.
·省電功能,如低電壓操作,快速啟動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間,以及可編程輸出擺幅
·1Hz至650MHz之間的任何頻率
·低EMI輸出選項(xiàng),包括擴(kuò)頻和輸出邊沿速率控制
SiTime的MEMS硅晶振為低功耗和綠色應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考時(shí)鐘解決方案.
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