绿色环保型时钟振荡器新技术

来源：金洛鑫浏览：- 发布日期：2019-06-24 10:57:08【大中小】

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很多采购在购买石英晶体或者晶体振荡器时,都要求是环保的,实际上现在国内外的晶振都是环保的了,基本上都是2004年至2005年期间全部完成环保替代.大约10年左右,在绿色环保领域又有了新的技术突破,实现的新技术并不是传统的石英水晶振荡器,而是另一种材料硅晶.硅晶振的另一个名字我们更加熟,就是MEMS可编程振荡器,这是一种具有灵活性的频率元件,一般频率范围从1.000MHz~800.000MHz之间,可以任意选择其中一个频率,甚至是客户自定义一个特别偏的频点.

很少有话题比绿色技术更热门.一些最常见的绿色应用包括能量收集,风能和太阳能发电以及LED照明.所有这些技术都是节能或发电,它们可以带来更清洁,更可持续的全球环境.在组件级别,有许多令人兴奋的发展.例如,微处理器继续采用越来越低功耗的工艺技术,电源现在可在所有负载条件下实现>90％的效率.还有一些鲜为人知的技术成就,可以改善绿色应用并有助于节能.本文重点介绍时序技术和影响功耗和绿色石英晶振应用的时钟特性.

新技术产生影响:

有许多新技术在绿色科技领域产生影响,其中一些技术基于过渡到更新的基于硅的方法.例如,响应服务器存储农场不断增长的需求而出现的最重要的节能趋势之一是采用固态硬盘(SSD)作为传统硬盘驱动器(HDD)的替代品.微机电系统(MEMS)是新型硅基技术的另一个例子,它为绿色应用及其他领域带来了突破性的优势.

图1:正在被改进的硅基技术取代的传统技术示例

石英晶体定时装置传统上被用作电子系统中的参考时钟,但是由于该新技术提供的许多优点,硅MEMS定时解决方案正在迅速被采用.除了低成本和极短的交付周期等供应链优势外,MEMS振荡器定时解决方案还提供性能和功能改进,包括更高的精度,更小的尺寸和更低的功耗.

关于功耗,参考时钟晶体振荡器可以具有针对低功率优化的特征,包括以下内容.

•低电源电流

•微功耗待机模式,具有快速启动(恢复)时间

•低电压操作,包括可编程输出,以减少电压摆幅

功耗,性能和其他参考时钟权衡:

许多微控制器(MCU)指定石英晶体(XTAL)用于一般计算要求.但是,XTAL并不总能满足设计要求.例如,当时钟精度(频率稳定性)需要稳定时,石英晶体振荡器(XO)是最佳选择.或者,如果元件放置使得难以使用XTAL,则具有逻辑兼容输出的XO是理想的解决方案.SiTime的SiT15xx32kHz振荡器系列是XTAL的绝佳替代产品,具有多种优势,包括功耗和尺寸的改进.

在设计系统时,必须考虑系统中所有组件的功耗.由于处理器是任何系统的核心,因此它在功率预算方面具有优先权,并且通常不会为支持块和其他组件(包括参考时钟)留下太多功率.在设计系统时钟源时,有三种主要的参考时钟类型(XTAL,振荡器和时钟发生器)可供选择,以及两种主要技术(石英时钟晶振和MEMS),如下表1所示.

表1:参考时钟源的类型及其相关特性

	32kHz时钟		振荡器(XO/TCXO)		时钟发生器(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)	低功耗选项:1.5至5毫安		有限的低功耗选项
电源	不适用(来自SoC/单片机)	1.2至4.5V	有限低压	1.8V可用	1.8V可用
接口	要求SoC/MCU支持XTAL+2上限	CMOS兼容输出到SOC/MCUclock/XTAL输入	CMOS兼容输出接口到SOC/MCU时钟/XTAL输入		CMOS兼容输出接口到SOC/MCU时钟/XTAL输入
布局	严格的布局指南	逻辑输出灵活布局,无接近问题	逻辑输出,灵活布局,无接近问题		灵活布局的逻辑输出,无邻近问题
外部组件	两个牵引电容(见图2)	无需外部组件	无需外部组件		需要外部XTAL	无需外部组件
输出选项	N/A	CMOS和纳米驱动	CMOS和差分		CMOS和差分
频率	有限选择	可从1赫兹编程到32千赫兹	有限选择	高达650MHz的任何频率	许多频率	高达800MHz的任何频率
准确性	稳定性差:超过工业温度160ppm	稳定性好:超过工业温度100ppm	优异的稳定性:0.1至50ppm		有限稳定性:50ppm	良好的稳定性:20-50ppm
相对成本	低成本	低成本	比XTAL更贵	比石英便宜	最贵的	比石英便宜
供应商	多个引脚兼容	SiTime,引脚兼容	多个信号源,引脚兼容		通常是唯一的源引脚

基本石英XTAL具有低功耗,通常用于基本时钟生成.新的MEMS振荡器解决方案,例如SiTime的SiT15xx1Hz至32.768K系列,为XTAL提供了替代方案,其功耗比石英XTAL低50％.与传统XTAL相比,这些MEMSXO具有其他一些优势,包括小尺寸(占地面积减少高达85％)以及更好的频率稳定性,老化性,可靠性以及抗冲击和振动的稳健性.

通过一系列的对比,可以明显看到,SiTime可编程振荡器不管是在成本,功耗,电压,灵活性,性能等方面,都要比传统的石英有更大的空间和优势.但是发展起来仍然短板,因为石英具有更好的耐冲击性,而且采取原料方便,适合大量广泛的生产,最重要的是观念根深蒂固,石英的发展和使用已经有一百多年了,硅晶不过几十年,因此用户更容易接受石英晶体振荡器.

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