獨家分享CTS低功耗應(yīng)用的晶體振蕩器解決方案
來源：http://cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2020年05月06
獨家分享CTS低功耗應(yīng)用的晶體振蕩器解決方案
物聯(lián)網(wǎng)[IoT]是一種新的無線試金石,它將實時信息,控制介質(zhì)和集線器連接到無線設(shè)備,例如電話,平板電腦和計算機(jī).這些應(yīng)用廣泛用于智能家居,智能城市,智能工廠,智能醫(yī)療保健,智能農(nóng)業(yè)和智能能源.通信協(xié)議和傳輸頻率受IPv6,UDP,QUIC,Aeron和uIP等標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo).結(jié)果,為滿足新的通信要求而創(chuàng)建的下一代MCU,SoC或FPGA挑戰(zhàn)了芯片組設(shè)計人員開發(fā)的架構(gòu),該架構(gòu)可提供改進(jìn)的快速通信,低噪聲性能,而且功耗低.利用低功率元件有助于長時間連續(xù)工作,但同時也增加了挑戰(zhàn),例如降低振蕩器增益裕度和信噪比.
當(dāng)前有數(shù)十億個已連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備.預(yù)計在未來十年內(nèi),隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施以及更便宜的消費類設(shè)備將隨時可用,連接設(shè)備的數(shù)量將呈指數(shù)級增長.5G承諾的看似無限的連接將繼續(xù)給基礎(chǔ)設(shè)施帶來負(fù)擔(dān),并推動芯片組性能的極限,要求時序模塊和相關(guān)的頻率基準(zhǔn)提供非?？煽康牡凸倪\行.
利用具有較低增益裕度[GM]的振蕩器設(shè)計的高級IoT芯片組需要具有低等效串聯(lián)電阻[ESR]和低電鍍電容[C0]的晶體,以確保在較寬的溫度范圍和較低的電池功率水平下快速啟動.許多芯片組[MCU,FPGA和SOC]的RF功能或時序模塊使用片上Pierce振蕩器配置來生成參考時鐘頻率.通常,該模塊是一個反相器放大器,該驅(qū)動器通過添加一個外部石英晶體諧振器[Y1]和兩個負(fù)載電容器[CL1,CL2]來驅(qū)動諧振回路,如圖1所示.可以包括一個附加的反饋電阻以幫助穩(wěn)定直流工作點.
圖1:皮爾斯振蕩器
使用芯片組制造商提供的反相放大器的跨導(dǎo)值,可以計算出由放大器反饋環(huán)路和晶振諧振環(huán)路完成的參考時鐘的增益裕度GM.參見圖1.為在所有環(huán)境條件下保證晶體諧振電路的正常工作,增益裕度GM[或安全系數(shù)]至少應(yīng)大于3.0,目標(biāo)目標(biāo)應(yīng)大于5.0.
gm=逆變器放大器跨導(dǎo),以mA/V或µA/V為單位.
gm[minimum]=跨導(dǎo)值的極限,以mA/V或µA/V為單位,以確保適當(dāng)?shù)恼袷?
晶體的等效電路值也會影響增益裕度GM,并通過以下計算加以說明.參見圖2作為參考.
gm[最小值]=4*R1*[2πf]2*[C0+CL]2
R1=晶體的運動串聯(lián)電阻[ESR]C0=晶體的分流電容
[電極和封裝電容]CL=晶體的電鍍負(fù)載電容
通過這個公式,并假設(shè)芯片組的反相放大器的gm值為固定值,它顯示了增加增益裕量GMis減小gm[minimum]的唯一方法.為低功率運行而開發(fā)的晶體的C0典型值小于3.0pF,gm[最小值]取決于R1的值和所選的負(fù)載電容CL.采用最小的串聯(lián)電阻值對CTS IoT增強(qiáng)型晶振[4xxW系列]進(jìn)行設(shè)計和處理,再加上較小的負(fù)載電容選項,從而確保了安全增益裕量GM,可在所有條件下支持低功耗和可靠運行客戶應(yīng)用程序.
圖2:晶體等效電路
CTS IoT頻率參考產(chǎn)品組合:
包含上述RF功能的MCU,FPGA或SOC通常用于通過無線協(xié)議發(fā)送和接收各種信息.這些芯片組需要MHz范圍內(nèi)的參考晶體來完成提供主系統(tǒng)數(shù)據(jù)時鐘信號的振蕩器電路.此外,芯片組還可以包含用于計時功能的實時時鐘參考[kHz晶體].為了支持用于物聯(lián)網(wǎng)的下一代芯片組,CTS開發(fā)了晶體系列,這些石英晶振系列具有前面概述的性能屬性.
物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)型晶體[4xxW系列]:
新的CTS晶振型號[412W,416W,402W,425W,403W]提供增強(qiáng)的設(shè)計參數(shù),這些參數(shù)針對的是用于消費者和工業(yè)[IIoT]的IoT企業(yè)中使用的低功耗無線協(xié)議.這些包括工作溫度范圍為-40℃~+125℃,嚴(yán)格的公差和穩(wěn)定性選項,低電鍍電容,較小的負(fù)載電容值以及各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝尺寸.
關(guān)鍵4xxW晶振參數(shù)
•低電鍍電容[C0],<3.0pF
•低ESR范圍[R1]
•小負(fù)載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+125℃
•穩(wěn)定性選項±10ppm~±150ppm
•基本晶體設(shè)計
•小型陶瓷表面貼裝
•卷帶包裝
低ESR音叉晶體@32.768kHz:
當(dāng)今的許多電子設(shè)備都需要某種形式的計時,包括當(dāng)前時間,日歷事件或處理計劃任務(wù).跟蹤時間并組織多項任務(wù),例如進(jìn)行測量,監(jiān)視通信和按需監(jiān)視喚醒;32.768kHz的實時時鐘參考[RTC]提供了一種支持此類關(guān)鍵功能的經(jīng)濟(jì)有效的解決方案.
便攜式或手持式電子產(chǎn)品使用低功耗FPGA和微控制器[MCU]來延長電池使用壽命,以延長其使用壽命.在低于+1.5V的電壓下工作時,需要具有低ESR的晶體,以確保貼片晶振啟動并在按需喚醒操作期間將電流消耗降至最低.CTS LowESR系列音叉晶體,最大電阻低至50k歐姆,具有~0.035ppm/℃2溫度系數(shù),+25℃轉(zhuǎn)換點,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容選項的經(jīng)典拋物線溫度曲線,并提供三種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陶瓷包裝尺寸選擇;3.2mmx1.5mm[TFE32],2.0mmx1.2mm[TFE20]和1.6mmx1.0mm[TFE16].
TFE晶體關(guān)鍵參數(shù):
•低電鍍電容[C0],典型值為1.0pF
•低ESR值[R1]<50k歐姆
•小型負(fù)載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+85℃
•小型陶瓷表面貼裝封裝
•卷帶包裝
實時時鐘TCXO@32.768kHz:
對于需要更精確的32.768kHz參考(對于GPS功能通用)的應(yīng)用,CTSRTC解決方案為TT32-TCXO型.TT32在+3.3V時的最大電流消耗為1.5µA,在-40℃~+85℃的溫度范圍內(nèi),在±5.0ppm時具有非常嚴(yán)格的頻率穩(wěn)定性;準(zhǔn)確的時間保持溫度變化;與使用音叉諧振器的簡單晶體器件相比.TT32溫補(bǔ)晶振的低功耗對于保持采用低功耗FPGA和微控制器[MCU]的便攜式或手持式電子設(shè)備的電池壽命至關(guān)重要.這也將有助于在按需喚醒操作期間最大程度地降低電流消耗.
TT32-TCXO關(guān)鍵參數(shù):
低電流消耗,<2A
緊密的頻率穩(wěn)定性,5.0ppm
溫度范圍為-40℃~+85℃
小型陶瓷表面貼裝封裝
膠帶和卷軸包裝
常見無線頻率:
結(jié)論:
物聯(lián)網(wǎng)是一個無限的空間,它將繼續(xù)發(fā)展,連接和交流各種設(shè)備,并且僅受人類想象力和創(chuàng)新的限制.隨著低功耗的不斷發(fā)展,在芯片組RF功能和相關(guān)頻率參考的開發(fā)過程中,比以往任何時候都需要審查和考慮設(shè)計風(fēng)險,以便為耐用的用戶設(shè)備提供持久可靠的操作.
獨家分享CTS低功耗應(yīng)用的晶體振蕩器解決方案
物聯(lián)網(wǎng)[IoT]是一種新的無線試金石,它將實時信息,控制介質(zhì)和集線器連接到無線設(shè)備,例如電話,平板電腦和計算機(jī).這些應(yīng)用廣泛用于智能家居,智能城市,智能工廠,智能醫(yī)療保健,智能農(nóng)業(yè)和智能能源.通信協(xié)議和傳輸頻率受IPv6,UDP,QUIC,Aeron和uIP等標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo).結(jié)果,為滿足新的通信要求而創(chuàng)建的下一代MCU,SoC或FPGA挑戰(zhàn)了芯片組設(shè)計人員開發(fā)的架構(gòu),該架構(gòu)可提供改進(jìn)的快速通信,低噪聲性能,而且功耗低.利用低功率元件有助于長時間連續(xù)工作,但同時也增加了挑戰(zhàn),例如降低振蕩器增益裕度和信噪比.
當(dāng)前有數(shù)十億個已連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備.預(yù)計在未來十年內(nèi),隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施以及更便宜的消費類設(shè)備將隨時可用,連接設(shè)備的數(shù)量將呈指數(shù)級增長.5G承諾的看似無限的連接將繼續(xù)給基礎(chǔ)設(shè)施帶來負(fù)擔(dān),并推動芯片組性能的極限,要求時序模塊和相關(guān)的頻率基準(zhǔn)提供非?？煽康牡凸倪\行.
利用具有較低增益裕度[GM]的振蕩器設(shè)計的高級IoT芯片組需要具有低等效串聯(lián)電阻[ESR]和低電鍍電容[C0]的晶體,以確保在較寬的溫度范圍和較低的電池功率水平下快速啟動.許多芯片組[MCU,FPGA和SOC]的RF功能或時序模塊使用片上Pierce振蕩器配置來生成參考時鐘頻率.通常,該模塊是一個反相器放大器,該驅(qū)動器通過添加一個外部石英晶體諧振器[Y1]和兩個負(fù)載電容器[CL1,CL2]來驅(qū)動諧振回路,如圖1所示.可以包括一個附加的反饋電阻以幫助穩(wěn)定直流工作點.
圖1:皮爾斯振蕩器
gm=逆變器放大器跨導(dǎo),以mA/V或µA/V為單位.
gm[minimum]=跨導(dǎo)值的極限,以mA/V或µA/V為單位,以確保適當(dāng)?shù)恼袷?
晶體的等效電路值也會影響增益裕度GM,并通過以下計算加以說明.參見圖2作為參考.
gm[最小值]=4*R1*[2πf]2*[C0+CL]2
R1=晶體的運動串聯(lián)電阻[ESR]C0=晶體的分流電容
[電極和封裝電容]CL=晶體的電鍍負(fù)載電容
通過這個公式,并假設(shè)芯片組的反相放大器的gm值為固定值,它顯示了增加增益裕量GMis減小gm[minimum]的唯一方法.為低功率運行而開發(fā)的晶體的C0典型值小于3.0pF,gm[最小值]取決于R1的值和所選的負(fù)載電容CL.采用最小的串聯(lián)電阻值對CTS IoT增強(qiáng)型晶振[4xxW系列]進(jìn)行設(shè)計和處理,再加上較小的負(fù)載電容選項,從而確保了安全增益裕量GM,可在所有條件下支持低功耗和可靠運行客戶應(yīng)用程序.
圖2:晶體等效電路
包含上述RF功能的MCU,FPGA或SOC通常用于通過無線協(xié)議發(fā)送和接收各種信息.這些芯片組需要MHz范圍內(nèi)的參考晶體來完成提供主系統(tǒng)數(shù)據(jù)時鐘信號的振蕩器電路.此外,芯片組還可以包含用于計時功能的實時時鐘參考[kHz晶體].為了支持用于物聯(lián)網(wǎng)的下一代芯片組,CTS開發(fā)了晶體系列,這些石英晶振系列具有前面概述的性能屬性.
物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)型晶體[4xxW系列]:
新的CTS晶振型號[412W,416W,402W,425W,403W]提供增強(qiáng)的設(shè)計參數(shù),這些參數(shù)針對的是用于消費者和工業(yè)[IIoT]的IoT企業(yè)中使用的低功耗無線協(xié)議.這些包括工作溫度范圍為-40℃~+125℃,嚴(yán)格的公差和穩(wěn)定性選項,低電鍍電容,較小的負(fù)載電容值以及各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝尺寸.
•低電鍍電容[C0],<3.0pF
•低ESR范圍[R1]
•小負(fù)載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+125℃
•穩(wěn)定性選項±10ppm~±150ppm
•基本晶體設(shè)計
•小型陶瓷表面貼裝
•卷帶包裝
| 模型/數(shù)據(jù)表 | 包裝尺寸[mm] | 頻率[MHz] | 公差@+25℃ | 最大ESR[Ohm] |
| 412W | 1.2x1.0 | 32~80基礎(chǔ) | ±7ppm~30ppm | 100~60 |
| 416W | 1.6x1.2 | 24~52基礎(chǔ) | ±10ppm~30ppm | 150~80 |
| 402W | 2.0x1.6 | 16~52基礎(chǔ) | ±10ppm~30ppm | 150~50 |
| 425W | 2.5x2.0 | 16~52基礎(chǔ) | ±10ppm~30ppm | 100~40 |
| 403W | 3.2x2.5 | 10~54基礎(chǔ) | ±10ppm~30ppm | 150~35 |
當(dāng)今的許多電子設(shè)備都需要某種形式的計時,包括當(dāng)前時間,日歷事件或處理計劃任務(wù).跟蹤時間并組織多項任務(wù),例如進(jìn)行測量,監(jiān)視通信和按需監(jiān)視喚醒;32.768kHz的實時時鐘參考[RTC]提供了一種支持此類關(guān)鍵功能的經(jīng)濟(jì)有效的解決方案.
便攜式或手持式電子產(chǎn)品使用低功耗FPGA和微控制器[MCU]來延長電池使用壽命,以延長其使用壽命.在低于+1.5V的電壓下工作時,需要具有低ESR的晶體,以確保貼片晶振啟動并在按需喚醒操作期間將電流消耗降至最低.CTS LowESR系列音叉晶體,最大電阻低至50k歐姆,具有~0.035ppm/℃2溫度系數(shù),+25℃轉(zhuǎn)換點,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電容選項的經(jīng)典拋物線溫度曲線,并提供三種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)陶瓷包裝尺寸選擇;3.2mmx1.5mm[TFE32],2.0mmx1.2mm[TFE20]和1.6mmx1.0mm[TFE16].
•低電鍍電容[C0],典型值為1.0pF
•低ESR值[R1]<50k歐姆
•小型負(fù)載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+85℃
•小型陶瓷表面貼裝封裝
•卷帶包裝
| 型號/數(shù)據(jù)表 | 包裝尺寸[mm] | 頻率[MHz] | 公差@+25℃ | 溫度范圍 |
| TFE16 | 1.6x1.0 | 32.768KHz | ±20ppm | -40℃~+85℃ |
| TFE20 | 2.0x1.2 | 32.768KHz | ±20ppm | -40℃~+85℃ |
| TFE32 | 3.2x1.5 | 32.768KHz | ±20ppm | -40℃~+85℃ |
對于需要更精確的32.768kHz參考(對于GPS功能通用)的應(yīng)用,CTSRTC解決方案為TT32-TCXO型.TT32在+3.3V時的最大電流消耗為1.5µA,在-40℃~+85℃的溫度范圍內(nèi),在±5.0ppm時具有非常嚴(yán)格的頻率穩(wěn)定性;準(zhǔn)確的時間保持溫度變化;與使用音叉諧振器的簡單晶體器件相比.TT32溫補(bǔ)晶振的低功耗對于保持采用低功耗FPGA和微控制器[MCU]的便攜式或手持式電子設(shè)備的電池壽命至關(guān)重要.這也將有助于在按需喚醒操作期間最大程度地降低電流消耗.
低電流消耗,<2A
緊密的頻率穩(wěn)定性,5.0ppm
溫度范圍為-40℃~+85℃
小型陶瓷表面貼裝封裝
膠帶和卷軸包裝
| 型號/數(shù)據(jù)表 | 包裝尺寸[mm] | 頻率[MHz] | 公差@+25℃ | 電源電壓[V] | 輸出 |
| TT32 | 3.2x2.5 | 32.768KHz | ±5.0ppm | +1.8V~+3.3V | HCMOS |
| 頻率 | 無線協(xié)議 | CTS解決方案 |
| 32.768kHz | 實時時鐘參考[RTC] |
TFE16 TFE20 TFE32 |
| 12.00MHz | CAN總線,USB | 403W |
| 13.56MHz | 射頻識別 | |
| 16.00MHz | Wi~Fi,ZigBee,藍(lán)牙,低功耗藍(lán)牙 |
403W 425W 402W |
| 19.20MHz | DECT,GPS,低功耗藍(lán)牙 | |
| 20.00MHz | Wi~Fi,藍(lán)牙,USB | |
| 24.00MHz | Wi~Fi,藍(lán)牙,低功耗藍(lán)牙 |
403W 425W 402W 416W |
| 25.00MHz | 工業(yè),科學(xué),醫(yī)療廣播頻段 | |
| 26.00MHz | WLAN,Wi~Fi,藍(lán)牙,低功耗藍(lán)牙,GSM,近距離通信 | |
| 27.12MHz | 射頻識別 | |
| 30.00MHz | 工業(yè),科學(xué),醫(yī)療廣播頻段 | |
| 32.00MHz | ZigBee,藍(lán)牙,低功耗藍(lán)牙,6LanPan,RF4CE,LoRa |
403W 425W 402W 416W 412W |
| 37.40MHz | Wi~Fi,藍(lán)牙 | |
| 38.40MHz | DECT,Wi~Fi,藍(lán)牙 | |
| 40.00MHz | Wi~Fi,藍(lán)牙,低功耗藍(lán)牙,近場通信,SimpleLink | |
| 48.00MHz | Wi~Fi,藍(lán)牙,USB | |
| 52.00MHz | WLAN,Wi~Fi,GSM |
物聯(lián)網(wǎng)是一個無限的空間,它將繼續(xù)發(fā)展,連接和交流各種設(shè)備,并且僅受人類想象力和創(chuàng)新的限制.隨著低功耗的不斷發(fā)展,在芯片組RF功能和相關(guān)頻率參考的開發(fā)過程中,比以往任何時候都需要審查和考慮設(shè)計風(fēng)險,以便為耐用的用戶設(shè)備提供持久可靠的操作.
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