將石英替換為MEMS振蕩器以降低功耗
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月24
低功耗特性是目前振蕩器產品的基本要求,但是否每一款型號都屬于低功耗呢?答案是否定的,雖然現在大部分的石英晶體振蕩器都說是低功耗,但也是一般級別的低功耗,如遇上非常高要求的產品,普通的低功耗是無法滿足需要的.幾十年來,工程師們不斷研發降低功耗的方法與技術,到目前為止算是進入到比較成熟的時期,發現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MEMS振蕩器采用可編程架構設計,可實現額外的功耗節省.例如,SiT15xx振蕩器系列具有以下獨特的節能特性.
•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.降低頻率會顯著降低輸出負載電流(C*V*F).將輸出頻率從32.768kHz降低至1Hz可將負載電流降低99％以上.低頻OSCillator非常適合低頻參考時鐘始終運行的應用.相比之下,由于諧振器在低頻時的物理尺寸限制,石英XTAL不能提供低于32.768kHz的頻率.
SiT15xx系列的另一個可編程特性是Nano Drive,一種獨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進行編程,以匹配SoC/MCU的下游振蕩器輸入.通過優化輸出級,可實現顯著的功率節省.
圖2:獨特的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:
對于MHz參考時鐘應用,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
•微功耗待機模式
•快速恢復時間
•低至1.8V的低電壓工作
對于單端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構而消耗更多電流.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.
待機模式和快速恢復時間也有助于節省電力.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,同時保持振蕩器電路偏置.因此,關閉振蕩器的唯一方法是在Vdd輸入和電源之間添加一個FET.但是一些振蕩器,例如來自SiTime的振蕩器,包括待機(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Vdd電源進行門控.例如,SiT1602和SiT8008振蕩器的電源電流在待機模式下降至0.6μA.
除了基本功耗之外,某些應用只有在接收模塊需要時鐘源時才能打開時鐘參考.一個例子是RFIC塊.在周期性地需要與諸如網絡或聚合點之類的另一點通信的系統中,僅在收發器活動期間打開RFIC.在這種情況下,時鐘振蕩器的開啟時間非常重要.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.在短啟動時間內指定振蕩器有助于降低功耗.由于時鐘源僅在啟動后有效,因此系統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(ST)狀態操作振蕩器將通過啟動比傳統Vdd啟動時間快大約2.5倍來節省功率.從待機狀態開始稱為恢復時間.例如,SiTime振蕩器的恢復時間為4到5ms.電源電壓是另一個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電壓下運行的CMOS兼容振蕩器與更常見的2.5V振蕩器選項相比可以節省大量功率.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:
對于功耗敏感的便攜式應用,例如筆記本電腦,平板電腦,電子閱讀器和WiFi設備,通常可以通過使用特殊的時鐘功能來滿足EMI要求.許多設計都以標準振蕩器開始.隨著工程原型的構建和EMI測試的進行,振蕩器受到嚴格審查,因為由于其高頻時鐘邊沿,時鐘是EMI的主要來源.當EMI必須降低時,設計人員將專注于時鐘.
利用可編程架構,SiTime可編程振蕩器可以通過使用擴頻或調整輸出邊沿速率輕松編程以降低EMI,同時保持原始引腳排列.設計人員可以通過添加擴頻或選擇較慢的輸出邊沿速率來滿足低EMI指導,而無需對現有設計進行任何更改.
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具有非常嚴格的布局指導,必須非常靠近SoC或MCUXTAL輸入,如圖3所示.由于振蕩器具有標準CMOS輸出,因此它們對布局問題不太敏感,并且可以驅動長走線.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封裝(CSP),尺寸小至1.5x0.8mm,封裝高度僅為0.55mm,可實現更小的占位面積.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XTAL以及所需的兩個電容器,則總占位面積將減少80％.考慮到XO在電路板設計中提供的靈活性,可以進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范圍內使用,精度最高可達6位小數.系統架構師必須了解頻率選項并在設計過程早期充分利用這種靈活性,以便優化處理器以獲得最佳頻率,并降低負載電流.
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的參考時鐘提供了具有優越性能和靈活性的解決方案,以解決石英的局限性.SiTime MEMS時序解決方案提供以下功能.
·省電功能,如低電壓操作,快速啟動和恢復時間,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,包括擴頻和輸出邊沿速率控制
SiTime的MEMS硅晶振為低功耗和綠色應用提供了有價值的參考時鐘解決方案.
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MEMS振蕩器采用可編程架構設計,可實現額外的功耗節省.例如,SiT15xx振蕩器系列具有以下獨特的節能特性.
•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.降低頻率會顯著降低輸出負載電流(C*V*F).將輸出頻率從32.768kHz降低至1Hz可將負載電流降低99％以上.低頻OSCillator非常適合低頻參考時鐘始終運行的應用.相比之下,由于諧振器在低頻時的物理尺寸限制,石英XTAL不能提供低于32.768kHz的頻率.
SiT15xx系列的另一個可編程特性是Nano Drive,一種獨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進行編程,以匹配SoC/MCU的下游振蕩器輸入.通過優化輸出級,可實現顯著的功率節省.
圖2:獨特的NanoDrive輸出擺幅可編程低至200mV,以最大限度地降低功耗
對于MHz參考時鐘應用,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
•微功耗待機模式
•快速恢復時間
•低至1.8V的低電壓工作
對于單端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構而消耗更多電流.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.
待機模式和快速恢復時間也有助于節省電力.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,同時保持振蕩器電路偏置.因此,關閉振蕩器的唯一方法是在Vdd輸入和電源之間添加一個FET.但是一些振蕩器,例如來自SiTime的振蕩器,包括待機(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Vdd電源進行門控.例如,SiT1602和SiT8008振蕩器的電源電流在待機模式下降至0.6μA.
除了基本功耗之外,某些應用只有在接收模塊需要時鐘源時才能打開時鐘參考.一個例子是RFIC塊.在周期性地需要與諸如網絡或聚合點之類的另一點通信的系統中,僅在收發器活動期間打開RFIC.在這種情況下,時鐘振蕩器的開啟時間非常重要.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.在短啟動時間內指定振蕩器有助于降低功耗.由于時鐘源僅在啟動后有效,因此系統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(ST)狀態操作振蕩器將通過啟動比傳統Vdd啟動時間快大約2.5倍來節省功率.從待機狀態開始稱為恢復時間.例如,SiTime振蕩器的恢復時間為4到5ms.電源電壓是另一個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電壓下運行的CMOS兼容振蕩器與更常見的2.5V振蕩器選項相比可以節省大量功率.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:
對于功耗敏感的便攜式應用,例如筆記本電腦,平板電腦,電子閱讀器和WiFi設備,通常可以通過使用特殊的時鐘功能來滿足EMI要求.許多設計都以標準振蕩器開始.隨著工程原型的構建和EMI測試的進行,振蕩器受到嚴格審查,因為由于其高頻時鐘邊沿,時鐘是EMI的主要來源.當EMI必須降低時,設計人員將專注于時鐘.
利用可編程架構,SiTime可編程振蕩器可以通過使用擴頻或調整輸出邊沿速率輕松編程以降低EMI,同時保持原始引腳排列.設計人員可以通過添加擴頻或選擇較慢的輸出邊沿速率來滿足低EMI指導,而無需對現有設計進行任何更改.
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具有非常嚴格的布局指導,必須非常靠近SoC或MCUXTAL輸入,如圖3所示.由于振蕩器具有標準CMOS輸出,因此它們對布局問題不太敏感,并且可以驅動長走線.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范圍內使用,精度最高可達6位小數.系統架構師必須了解頻率選項并在設計過程早期充分利用這種靈活性,以便優化處理器以獲得最佳頻率,并降低負載電流.
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的參考時鐘提供了具有優越性能和靈活性的解決方案,以解決石英的局限性.SiTime MEMS時序解決方案提供以下功能.
·省電功能,如低電壓操作,快速啟動和恢復時間,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,包括擴頻和輸出邊沿速率控制
SiTime的MEMS硅晶振為低功耗和綠色應用提供了有價值的參考時鐘解決方案.
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