綠色環保型時鐘振蕩器新技術

來源：金洛鑫瀏覽：- 發布日期：2019-06-24 10:57:08【大中小】

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很多采購在購買石英晶體或者晶體振蕩器時,都要求是環保的,實際上現在國內外的晶振都是環保的了,基本上都是2004年至2005年期間全部完成環保替代.大約10年左右,在綠色環保領域又有了新的技術突破,實現的新技術并不是傳統的石英水晶振蕩器,而是另一種材料硅晶.硅晶振的另一個名字我們更加熟,就是MEMS可編程振蕩器,這是一種具有靈活性的頻率元件,一般頻率范圍從1.000MHz~800.000MHz之間,可以任意選擇其中一個頻率,甚至是客戶自定義一個特別偏的頻點.

很少有話題比綠色技術更熱門.一些最常見的綠色應用包括能量收集,風能和太陽能發電以及LED照明.所有這些技術都是節能或發電,它們可以帶來更清潔,更可持續的全球環境.在組件級別,有許多令人興奮的發展.例如,微處理器繼續采用越來越低功耗的工藝技術,電源現在可在所有負載條件下實現>90％的效率.還有一些鮮為人知的技術成就,可以改善綠色應用并有助于節能.本文重點介紹時序技術和影響功耗和綠色石英晶振應用的時鐘特性.

新技術產生影響:

有許多新技術在綠色科技領域產生影響,其中一些技術基于過渡到更新的基于硅的方法.例如,響應服務器存儲農場不斷增長的需求而出現的最重要的節能趨勢之一是采用固態硬盤(SSD)作為傳統硬盤驅動器(HDD)的替代品.微機電系統(MEMS)是新型硅基技術的另一個例子,它為綠色應用及其他領域帶來了突破性的優勢.

圖1:正在被改進的硅基技術取代的傳統技術示例

石英晶體定時裝置傳統上被用作電子系統中的參考時鐘,但是由于該新技術提供的許多優點,硅MEMS定時解決方案正在迅速被采用.除了低成本和極短的交付周期等供應鏈優勢外,MEMS振蕩器定時解決方案還提供性能和功能改進,包括更高的精度,更小的尺寸和更低的功耗.

關于功耗,參考時鐘晶體振蕩器可以具有針對低功率優化的特征,包括以下內容.

•低電源電流

•微功耗待機模式,具有快速啟動(恢復)時間

•低電壓操作,包括可編程輸出,以減少電壓擺幅

功耗,性能和其他參考時鐘權衡:

許多微控制器(MCU)指定石英晶體(XTAL)用于一般計算要求.但是,XTAL并不總能滿足設計要求.例如,當時鐘精度(頻率穩定性)需要穩定時,石英晶體振蕩器(XO)是最佳選擇.或者,如果元件放置使得難以使用XTAL,則具有邏輯兼容輸出的XO是理想的解決方案.SiTime的SiT15xx32kHz振蕩器系列是XTAL的絕佳替代產品,具有多種優勢,包括功耗和尺寸的改進.

在設計系統時,必須考慮系統中所有組件的功耗.由于處理器是任何系統的核心,因此它在功率預算方面具有優先權,并且通常不會為支持塊和其他組件(包括參考時鐘)留下太多功率.在設計系統時鐘源時,有三種主要的參考時鐘類型(XTAL,振蕩器和時鐘發生器)可供選擇,以及兩種主要技術(石英時鐘晶振和MEMS),如下表1所示.

表1:參考時鐘源的類型及其相關特性

	32kHz時鐘		振蕩器(XO/TCXO)		時鐘發生器(合成器)
	石英XTAL	MEMS(SiT15xx)	石英	MEMS	石英	MEMS
能量消耗	低功率:10至100μA	最低功耗:750nA(典型值)	低功耗選項:1.5至5毫安		有限的低功耗選項
電源	不適用(來自SoC/單片機)	1.2至4.5V	有限低壓	1.8V可用	1.8V可用
接口	要求SoC/MCU支持XTAL+2上限	CMOS兼容輸出到SOC/MCUclock/XTAL輸入	CMOS兼容輸出接口到SOC/MCU時鐘/XTAL輸入		CMOS兼容輸出接口到SOC/MCU時鐘/XTAL輸入
布局	嚴格的布局指南	邏輯輸出靈活布局,無接近問題	邏輯輸出,靈活布局,無接近問題		靈活布局的邏輯輸出,無鄰近問題
外部組件	兩個牽引電容(見圖2)	無需外部組件	無需外部組件		需要外部XTAL	無需外部組件
輸出選項	N/A	CMOS和納米驅動	CMOS和差分		CMOS和差分
頻率	有限選擇	可從1赫茲編程到32千赫茲	有限選擇	高達650MHz的任何頻率	許多頻率	高達800MHz的任何頻率
準確性	穩定性差:超過工業溫度160ppm	穩定性好:超過工業溫度100ppm	優異的穩定性:0.1至50ppm		有限穩定性:50ppm	良好的穩定性:20-50ppm
相對成本	低成本	低成本	比XTAL更貴	比石英便宜	最貴的	比石英便宜
供應商	多個引腳兼容	SiTime,引腳兼容	多個信號源,引腳兼容		通常是唯一的源引腳

基本石英XTAL具有低功耗,通常用于基本時鐘生成.新的MEMS振蕩器解決方案,例如SiTime的SiT15xx1Hz至32.768K系列,為XTAL提供了替代方案,其功耗比石英XTAL低50％.與傳統XTAL相比,這些MEMSXO具有其他一些優勢,包括小尺寸(占地面積減少高達85％)以及更好的頻率穩定性,老化性,可靠性以及抗沖擊和振動的穩健性.

通過一系列的對比,可以明顯看到,SiTime可編程振蕩器不管是在成本,功耗,電壓,靈活性,性能等方面,都要比傳統的石英有更大的空間和優勢.但是發展起來仍然短板,因為石英具有更好的耐沖擊性,而且采取原料方便,適合大量廣泛的生產,最重要的是觀念根深蒂固,石英的發展和使用已經有一百多年了,硅晶不過幾十年,因此用戶更容易接受石英晶體振蕩器.

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