低功耗特性是目前振荡器产品的基本要求,但是否每一款型号都属于低功耗呢?答案是否定的,虽然现在大部分的石英晶体振荡器都说是低功耗,但也是一般级别的低功耗,如遇上非常高要求的产品,普通的低功耗是无法满足需要的.几十年来,工程师们不断研发降低功耗的方法与技术,到目前为止算是进入到比较成熟的时期,发现的方法不断有好几种,而且也比较有效.
一些MEMS振荡器具有超低功率输出,仅消耗纳安的电流.此外,大多数MEMS振荡器采用可编程架构设计,可实现额外的功耗节省.例如,SiT15xx振荡器系列具有以下独特的节能特性.
•最低功耗32.768K有源晶振,750nA核心电源电流(典型值)
•低至1.2V的低电压工作
•可编程频率低至1Hz
•NanoDrive可编程输出,可降低电压摆幅
基于MEMS的振荡器提供了几种石英设备无法提供的可编程功能.基本的可编程功能包括频率,电压和稳定性.例如,SiT15xx系列的可编程频率范围介于1Hz和32.768kHz之间,功率为2.降低频率会显着降低输出负载电流(C*V*F).将输出频率从32.768kHz降低至1Hz可将负载电流降低99％以上.低频OSCillator非常适合低频参考时钟始终运行的应用.相比之下,由于谐振器在低频时的物理尺寸限制,石英XTAL不能提供低于32.768kHz的频率.
SiT15xx系列的另一个可编程特性是Nano Drive,一种独特的可编程输出摆幅(见图2).使用NanoDrive,输出摆幅可从全摆幅到200mV进行编程,以匹配SoC/MCU的下游振荡器输入.通过优化输出级,可实现显着的功率节省.

图2:独特的NanoDrive输出摆幅可编程低至200mV,以最大限度地降低功耗

用MEMS振荡器替换石英XO以降低功率:
对于MHz参考时钟应用,某些振荡器有一些特殊功能可以帮助保持低功耗.
•低电源电流
•微功耗待机模式
•快速恢复时间
•低至1.8V的低电压工作
对于单端CMOS兼容振荡器,典型的低功耗MHz振荡器功耗小于5mA.例如,SiTime的低功耗SiT1602和SiT8008 CMOS兼容振荡器的电流消耗为3.4(典型值).差分振荡器由于其输出结构而消耗更多电流.如果需要差分晶体振荡器但接收模块可灵活选择差分逻辑,则LVDS功耗最低.LVPECL和CML逻辑消耗更多功率.LVPECL输出限制为3.3V和5V电源,而一些LVDS兼容振荡器可以容纳2.5V电源.
待机模式和快速恢复时间也有助于节省电力.但是,基本振荡器不包括低电源电流以外的省电功能.传统振荡器包括Vdd引脚和可选输出使能(OE)控制引脚.OE功能不是省电功能.它只是禁用输出级,同时保持振荡器电路偏置.因此,关闭振荡器的唯一方法是在Vdd输入和电源之间添加一个FET.但是一些振荡器,例如来自SiTime的振荡器,包括待机(ST)控制引脚,可将电源电流降至μA电平,并且无需外部FET来对Vdd电源进行门控.例如,SiT1602和SiT8008振荡器的电源电流在待机模式下降至0.6μA.
除了基本功耗之外,某些应用只有在接收模块需要时钟源时才能打开时钟参考.一个例子是RFIC块.在周期性地需要与诸如网络或聚合点之类的另一点通信的系统中,仅在收发器活动期间打开RFIC.在这种情况下,时钟振荡器的开启时间非常重要.在有源晶振上电周期完成之前,振荡器输出无效,这通常需要5到10ms.在短启动时间内指定振荡器有助于降低功耗.由于时钟源仅在启动后有效,因此系统在等待振荡器完成其上电周期之前消耗功率,然后才能开始其通信过程.
从待机(ST)状态操作振荡器将通过启动比传统Vdd启动时间快大约2.5倍来节省功率.从待机状态开始称为恢复时间.例如,SiTime振荡器的恢复时间为4到5ms.电源电压是另一个重要的电源考虑因素.如果有1.8V电源电压,选择可以在1.8V电压下运行的CMOS兼容振荡器与更常见的2.5V振荡器选项相比可以节省大量功率.将电源电压从2.5V降至1.8V可将功耗降低25％.
引脚兼容的封装中的低EMI输出选项:
对于功耗敏感的便携式应用,例如笔记本电脑,平板电脑,电子阅读器和WiFi设备,通常可以通过使用特殊的时钟功能来满足EMI要求.许多设计都以标准振荡器开始.随着工程原型的构建和EMI测试的进行,振荡器受到严格审查,因为由于其高频时钟边沿,时钟是EMI的主要来源.当EMI必须降低时,设计人员将专注于时钟.
利用可编程架构,SiTime可编程振荡器可以通过使用扩频或调整输出边沿速率轻松编程以降低EMI,同时保持原始引脚排列.设计人员可以通过添加扩频或选择较慢的输出边沿速率来满足低EMI指导,而无需对现有设计进行任何更改.
振荡器占用空间更小,是XTAL布局限制的替代方案:
许多绿色和低功耗应用具有小的外形尺寸,并且需要具有最小尺寸的组件.XTAL具有非常严格的布局指导,必须非常靠近SoC或MCUXTAL输入,如图3所示.由于振荡器具有标准CMOS输出,因此它们对布局问题不太敏感,并且可以驱动长走线.因此,与XTAL相比,振荡器的布局具有更大的灵活性.

图3a:XTAL组件放置

图3b:硅MEMS元件放置

SiTime的振荡器采用芯片级封装(CSP),尺寸小至1.5x0.8mm,封装高度仅为0.55mm,可实现更小的占位面积.如果使用1508CSP中的MEMS振荡器(无需电容器)来替换常见的2.0x1.2封装中的传统XTAL以及所需的两个电容器,则总占位面积将减少80％.考虑到XO在电路板设计中提供的灵活性,可以进一步减少总电路板面积.
MEMS振荡器消除了频率限制:
由于在基于石英的制造工艺中难以产生新的频率,石英晶体和振荡器被限制在特定的可用频率.由于SiTime的MEMS振荡器是可编程的,因此任何频率都可在1Hz至650MHz范围内使用,精度最高可达6位小数.系统架构师必须了解频率选项并在设计过程早期充分利用这种灵活性,以便优化处理器以获得最佳频率,并降低负载电流.
所有基于晶体的解决方案,无论是石英晶体还是振荡器,都具有工程师必须接受和解决的固有限制.然而,新的基于MEMS的参考时钟提供了具有优越性能和灵活性的解决方案,以解决石英的局限性.SiTime MEMS时序解决方案提供以下功能.
·省电功能,如低电压操作,快速启动和恢复时间,以及可编程输出摆幅
·1Hz至650MHz之间的任何频率
·低EMI输出选项,包括扩频和输出边沿速率控制
SiTime的MEMS硅晶振为低功耗和绿色应用提供了有价值的参考时钟解决方案.

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将石英替换为MEMS振荡器以降低功耗

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