獨家分享CTS低功耗應用的晶體振蕩器解決方案
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年05月06
獨家分享CTS低功耗應用的晶體振蕩器解決方案
物聯網[IoT]是一種新的無線試金石,它將實時信息,控制介質和集線器連接到無線設備,例如電話,平板電腦和計算機.這些應用廣泛用于智能家居,智能城市,智能工廠,智能醫療保健,智能農業和智能能源.通信協議和傳輸頻率受IPv6,UDP,QUIC,Aeron和uIP等標準的指導.結果,為滿足新的通信要求而創建的下一代MCU,SoC或FPGA挑戰了芯片組設計人員開發的架構,該架構可提供改進的快速通信,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工作,但同時也增加了挑戰,例如降低振蕩器增益裕度和信噪比.
當前有數十億個已連接的物聯網設備.預計在未來十年內,隨著5G基礎設施以及更便宜的消費類設備將隨時可用,連接設備的數量將呈指數級增長.5G承諾的看似無限的連接將繼續給基礎設施帶來負擔,并推動芯片組性能的極限,要求時序模塊和相關的頻率基準提供非常可靠的低功耗運行.
利用具有較低增益裕度[GM]的振蕩器設計的高級IoT芯片組需要具有低等效串聯電阻[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,該驅動器通過添加一個外部石英晶體諧振器[Y1]和兩個負載電容器[CL1,CL2]來驅動諧振回路,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值,可以計算出由放大器反饋環路和晶振諧振環路完成的參考時鐘的增益裕度GM.參見圖1.為在所有環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]至少應大于3.0,目標目標應大于5.0.
gm=逆變器放大器跨導,以mA/V或µA/V為單位.
gm[minimum]=跨導值的極限,以mA/V或µA/V為單位,以確保適當的振蕩.
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=晶體的電鍍負載電容
通過這個公式,并假設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的值和所選的負載電容CL.采用最小的串聯電阻值對CTS IoT增強型晶振[4xxW系列]進行設計和處理,再加上較小的負載電容選項,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用程序.
圖2:晶體等效電路
CTS IoT頻率參考產品組合:
包含上述RF功能的MCU,FPGA或SOC通常用于通過無線協議發送和接收各種信息.這些芯片組需要MHz范圍內的參考晶體來完成提供主系統數據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].為了支持用于物聯網的下一代芯片組,CTS開發了晶體系列,這些石英晶振系列具有前面概述的性能屬性.
物聯網增強型晶體[4xxW系列]:
新的CTS晶振型號[412W,416W,402W,425W,403W]提供增強的設計參數,這些參數針對的是用于消費者和工業[IIoT]的IoT企業中使用的低功耗無線協議.這些包括工作溫度范圍為-40℃~+125℃,嚴格的公差和穩定性選項,低電鍍電容,較小的負載電容值以及各種行業標準的封裝尺寸.
關鍵4xxW晶振參數
•低電鍍電容[C0],<3.0pF
•低ESR范圍[R1]
•小負載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+125℃
•穩定性選項±10ppm~±150ppm
•基本晶體設計
•小型陶瓷表面貼裝
•卷帶包裝
低ESR音叉晶體@32.768kHz:
當今的許多電子設備都需要某種形式的計時,包括當前時間,日歷事件或處理計劃任務.跟蹤時間并組織多項任務,例如進行測量,監視通信和按需監視喚醒;32.768kHz的實時時鐘參考[RTC]提供了一種支持此類關鍵功能的經濟有效的解決方案.
便攜式或手持式電子產品使用低功耗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,+25℃轉換點,標準負載電容選項的經典拋物線溫度曲線,并提供三種行業標準陶瓷包裝尺寸選擇;3.2mmx1.5mm[TFE32],2.0mmx1.2mm[TFE20]和1.6mmx1.0mm[TFE16].
TFE晶體關鍵參數:
•低電鍍電容[C0],典型值為1.0pF
•低ESR值[R1]<50k歐姆
•小型負載電容選項[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,在±5.0ppm時具有非常嚴格的頻率穩定性;準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備的電池壽命至關重要.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關鍵參數:
低電流消耗,<2A
緊密的頻率穩定性,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:
結論:
物聯網是一個無限的空間,它將繼續發展,連接和交流各種設備,并且僅受人類想象力和創新的限制.隨著低功耗的不斷發展,在芯片組RF功能和相關頻率參考的開發過程中,比以往任何時候都需要審查和考慮設計風險,以便為耐用的用戶設備提供持久可靠的操作.
獨家分享CTS低功耗應用的晶體振蕩器解決方案
物聯網[IoT]是一種新的無線試金石,它將實時信息,控制介質和集線器連接到無線設備,例如電話,平板電腦和計算機.這些應用廣泛用于智能家居,智能城市,智能工廠,智能醫療保健,智能農業和智能能源.通信協議和傳輸頻率受IPv6,UDP,QUIC,Aeron和uIP等標準的指導.結果,為滿足新的通信要求而創建的下一代MCU,SoC或FPGA挑戰了芯片組設計人員開發的架構,該架構可提供改進的快速通信,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工作,但同時也增加了挑戰,例如降低振蕩器增益裕度和信噪比.
當前有數十億個已連接的物聯網設備.預計在未來十年內,隨著5G基礎設施以及更便宜的消費類設備將隨時可用,連接設備的數量將呈指數級增長.5G承諾的看似無限的連接將繼續給基礎設施帶來負擔,并推動芯片組性能的極限,要求時序模塊和相關的頻率基準提供非常可靠的低功耗運行.
利用具有較低增益裕度[GM]的振蕩器設計的高級IoT芯片組需要具有低等效串聯電阻[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,該驅動器通過添加一個外部石英晶體諧振器[Y1]和兩個負載電容器[CL1,CL2]來驅動諧振回路,如圖1所示.可以包括一個附加的反饋電阻以幫助穩定直流工作點.
圖1:皮爾斯振蕩器
gm=逆變器放大器跨導,以mA/V或µA/V為單位.
gm[minimum]=跨導值的極限,以mA/V或µA/V為單位,以確保適當的振蕩.
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=晶體的電鍍負載電容
通過這個公式,并假設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的值和所選的負載電容CL.采用最小的串聯電阻值對CTS IoT增強型晶振[4xxW系列]進行設計和處理,再加上較小的負載電容選項,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議發送和接收各種信息.這些芯片組需要MHz范圍內的參考晶體來完成提供主系統數據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].為了支持用于物聯網的下一代芯片組,CTS開發了晶體系列,這些石英晶振系列具有前面概述的性能屬性.
物聯網增強型晶體[4xxW系列]:
新的CTS晶振型號[412W,416W,402W,425W,403W]提供增強的設計參數,這些參數針對的是用于消費者和工業[IIoT]的IoT企業中使用的低功耗無線協議.這些包括工作溫度范圍為-40℃~+125℃,嚴格的公差和穩定性選項,低電鍍電容,較小的負載電容值以及各種行業標準的封裝尺寸.
•低電鍍電容[C0],<3.0pF
•低ESR范圍[R1]
•小負載電容選項[CL]
•溫度范圍為-40℃~+125℃
•穩定性選項±10ppm~±150ppm
•基本晶體設計
•小型陶瓷表面貼裝
•卷帶包裝
| 模型/數據表 | 包裝尺寸[mm] | 頻率[MHz] | 公差@+25℃ | 最大ESR[Ohm] |
| 412W | 1.2x1.0 | 32~80基礎 | ±7ppm~30ppm | 100~60 |
| 416W | 1.6x1.2 | 24~52基礎 | ±10ppm~30ppm | 150~80 |
| 402W | 2.0x1.6 | 16~52基礎 | ±10ppm~30ppm | 150~50 |
| 425W | 2.5x2.0 | 16~52基礎 | ±10ppm~30ppm | 100~40 |
| 403W | 3.2x2.5 | 10~54基礎 | ±10ppm~30ppm | 150~35 |
當今的許多電子設備都需要某種形式的計時,包括當前時間,日歷事件或處理計劃任務.跟蹤時間并組織多項任務,例如進行測量,監視通信和按需監視喚醒;32.768kHz的實時時鐘參考[RTC]提供了一種支持此類關鍵功能的經濟有效的解決方案.
便攜式或手持式電子產品使用低功耗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,+25℃轉換點,標準負載電容選項的經典拋物線溫度曲線,并提供三種行業標準陶瓷包裝尺寸選擇;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/數據表 | 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,在±5.0ppm時具有非常嚴格的頻率穩定性;準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備的電池壽命至關重要.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/數據表 | 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,藍牙,低功耗藍牙 |
403W 425W 402W |
| 19.20MHz | DECT,GPS,低功耗藍牙 | |
| 20.00MHz | Wi~Fi,藍牙,USB | |
| 24.00MHz | Wi~Fi,藍牙,低功耗藍牙 |
403W 425W 402W 416W |
| 25.00MHz | 工業,科學,醫療廣播頻段 | |
| 26.00MHz | WLAN,Wi~Fi,藍牙,低功耗藍牙,GSM,近距離通信 | |
| 27.12MHz | 射頻識別 | |
| 30.00MHz | 工業,科學,醫療廣播頻段 | |
| 32.00MHz | ZigBee,藍牙,低功耗藍牙,6LanPan,RF4CE,LoRa |
403W 425W 402W 416W 412W |
| 37.40MHz | Wi~Fi,藍牙 | |
| 38.40MHz | DECT,Wi~Fi,藍牙 | |
| 40.00MHz | Wi~Fi,藍牙,低功耗藍牙,近場通信,SimpleLink | |
| 48.00MHz | Wi~Fi,藍牙,USB | |
| 52.00MHz | WLAN,Wi~Fi,GSM |
物聯網是一個無限的空間,它將繼續發展,連接和交流各種設備,并且僅受人類想象力和創新的限制.隨著低功耗的不斷發展,在芯片組RF功能和相關頻率參考的開發過程中,比以往任何時候都需要審查和考慮設計風險,以便為耐用的用戶設備提供持久可靠的操作.
獨家分享CTS低功耗應用的晶體振蕩器解決方案
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