綠色環(huán)保型時鐘振蕩器新技術

來源：金洛鑫瀏覽：- 發(fā)布日期：2019-06-24 10:57:08【大中小】

很多采購在購買石英晶體或者晶體振蕩器時,都要求是環(huán)保的,實際上現在國內外的晶振都是環(huán)保的了,基本上都是2004年至2005年期間全部完成環(huán)保替代.大約10年左右,在綠色環(huán)保領域又有了新的技術突破,實現的新技術并不是傳統(tǒng)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(fā)電以及LED照明.所有這些技術都是節(jié)能或發(fā)電,它們可以帶來更清潔,更可持續(xù)的全球環(huán)境.在組件級別,有許多令人興奮的發(fā)展.例如,微處理器繼續(xù)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(jié)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(jié)能趨勢之一是采用固態(tài)硬盤(SSD)作為傳統(tǒng)硬盤驅動器(HDD)的替代品.微機電系統(tǒng)(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(yōu)勢.

圖1:正在被改進的硅基技術取代的傳統(tǒng)技術示例

石英晶體定時裝置傳統(tǒng)上被用作電子系統(tǒng)中的參考時鐘,但是由于該新技術提供的許多優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(wěn)定性)需要穩(wěn)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(yōu)勢,包括功耗和尺寸的改進.

在設計系統(tǒng)時,必須考慮系統(tǒng)中所有組件的功耗.由于處理器是任何系統(tǒng)的核心,因此它在功率預算方面具有優(yōu)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(tǒng)時鐘源時,有三種主要的參考時鐘類型(XTAL,振蕩器和時鐘發(fā)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(fā)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(wěn)定性差:超過工業(yè)溫度160ppm	穩(wěn)定性好:超過工業(yè)溫度100ppm	優(yōu)異的穩(wěn)定性:0.1至50ppm		有限穩(wěn)定性:50ppm	良好的穩(wěn)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(tǒng)XTAL相比,這些MEMSXO具有其他一些優(yōu)勢,包括小尺寸(占地面積減少高達85％)以及更好的頻率穩(wěn)定性,老化性,可靠性以及抗沖擊和振動的穩(wěn)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(tǒng)的石英有更大的空間和優(yōu)勢.但是發(fā)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(fā)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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