如何使用 SPOX 以簡單且具有成本效益的方式符合低功率電路計時需求

電路計時是一項關鍵功能，多種電子裝置都有此需求，包含微控制器、USB、乙太網路、Wi-Fi、藍牙介面，以及運算裝置和周邊介面、醫療裝置、測試與量測設備、工業控制和自動化、物聯網 (IoT)、穿戴式裝置、消費型電子裝置。設計晶控振盪器提供系統計時基本上不難，但設計人員必須考量多種參數和將石英晶體匹配振盪器 IC　的設計要求。

這些考量包含晶體運動阻抗、諧振模式、驅動等級、振盪器負電阻。電路佈局方面，設計人員需要考慮電路板的寄生電容，晶體周圍的保護帶，以及晶片上整合式電容。最終設計需要小巧且可靠，並且有最少元件、低均方根 (rms) 抖動，還要能夠在寬廣的輸入電壓範圍內以最低功耗運作。

解決方案之一是使用簡單封裝晶體振盪器 (SPXO)。此類振盪器針對低功耗和低 rms 抖動經過最佳化，可在介於 1.60 和 3.60 V 的任一電壓操作。這些連續電壓振盪器能讓設計人員花費最少設計心力，將解決方案整合至系統。

本文將會簡要討論成功使用離散式石英晶體和計時 IC 進行設計所需的一些重要的效能和設計挑戰。接著介紹 Abracon 的 SPXO 解決方案，展示設計人員如何運用此解決方案，有效且有效率地符合電子系統的計時需求。

晶體振盪器作業和設計挑戰

功耗是小型、電池供電式無線裝置的重要考量項目。許多此類裝置都採用超低功率系統單晶片 (SoC) 無線電和處理器，支援多年的壽命。此外，使用最小尺寸的電池有助於控制裝置成本，這是由於電池可能是系統中最貴的零件。因此，待機電流常是小型無線系統最重要的電池續航力考量，且時脈振盪器常會主導待機電流大小。因此，將振盪器電流消耗降至最低非常重要。

不過，設計低功率振盪器具有挑戰性。節能的方式之一是進入「停用」狀態，將待機電流降至最低，並且在需要使用時才啟動。不過，晶體振盪器不容易快速且可靠的啟動。設計人員需注意確保振盪器在待機時消耗低電流，並且在所有作業和環境狀態下都能可靠啟動。

皮爾斯振盪器配置常用於低功率無線 SoC (圖 1)。皮爾斯振盪器以晶體 (X) 和負載電容 (C₁ 和 C₂) 為中心，使用內部回授電阻，以反相放大器包覆。在正確的條件下，放大器輸出回授到輸入時，會產生負電阻和振盪。

圖 1：基本皮爾斯振盪器配置，以晶體 (X) 和負載電容 C₁ 和 C₂ 為中心。(圖片來源：Abracon)

晶體為複雜結構，本文僅提供振盪器頂層和簡單的作業資訊。

閉迴路增益餘裕 (Gm) 可用作效能指數 (FOM)，藉以特性化與多種耗散相關的振盪器可靠性。這也稱做振盪裕度 (OA)。OA 低於 5 會導致生產良率低，以及溫度相關的啟動問題。以 20 或更高的 OA 進行設計，可在其作業溫度範圍內提供可靠操作，且其晶體和 SoC 效能特性較不會受到生產批次影響。

將可變電阻 R_a 加至電路，量測振盪器的 OA (圖 2)。R_a 的值會升高到振盪器無法啟動。這就是用以決定 OA 的值，如下：

方程式 1

說明：

R_n 是負電阻

R_e 是等效串聯電阻 (ESR)

方程式 2

方程式 3

C_L 是負載電容，計算方式如下：

方程式 4

Cs 是電路雜散電容，通常介於 3.0 至 5.0 pF。

圖 2：皮爾斯振盪器展示延伸晶體模型 (中間框框)，和可調式電阻 (R_a)，用來量測振盪裕度。(圖片來源：Abracon)

OA 依據 ESR (R_e)，且 ESR 依據石英晶體參數 R_m 和負載電容 C_L。R_m 和 C_L 對 OA 的影響，在低功率振盪器中會增加，例如用於低功率無線裝置的振盪器。量測 OA 耗時且可能會延長開發流程。因此，有時會被忽視，進而在系統或裝置進入生產時有效能問題。

此外，設定高 OA 可確保可靠的振盪器作業，但會造成其他問題。舉例而言，高 OA 可取得高振盪器電路效能，但不可能忽視晶體的功耗。這些損耗會是一個重要的因素。回顧圖 2，晶體動作電阻 R_m 會在電流循環穿過電阻時導致功率耗散。C_L 更大時，電流和損耗會增加。設計人員需要在晶體功耗和合理的 OA 值之間達到平衡。

避免抖動

設計石英晶體振盪器時，必須瞭解抖動，並將之最小化。抖動類型有兩種，通常以 rms 值量測：

• 逐週期抖動：亦稱為相位抖動，是在數個振動量測週期間的最大時間差，通常最少量測 10 個週期。
• 週期抖動：時脈邊緣的最大變化，在個別週期量測，而非多重週期。

石英晶體振盪器的主要抖動源包含電源供應雜訊、訊號頻率的整數諧波、不適當的負載和端接狀態、放大器雜訊，以及一些電路配置。依據來源，可以運用數種方式將抖動最小化：

• 使用旁路電容、晶片磁珠，或電阻電容 (RC) 濾波器控制電源供應雜訊。
• 在要求超低抖動的關鍵應用中，建立一個控制諧波的方式 (不在此文討論範圍內)。
• 藉由最佳化負載和端接狀態，降低反射式功率回傳至輸出。
• 避免使用鎖相迴路、多工器或可編程功能的設計，此類設計會增加抖動。

連續電壓晶體振盪器

介於 1.60 和 3.60 V 多種系統偏壓的系統可受益於 Abracon 的 ASADV、ASDDV、ASEDV SPXO (圖 3)。這些 SPOX 系列涵蓋不同頻率範圍：ASADV 為 1.25 MHz 至 100 MHz；ASDDV 和 ASEDV 為 1 MHz 至 160 MHz。皆符合 RoHS/RoHS II 指令，並採用氣密式陶瓷表面黏著 (SMD) 封裝。其頻率穩定度為 ±25 ppm，溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。

圖 3：ASADV (如圖)、ASDDV、ASEDV SPXO 採用氣密式陶瓷封裝，工作溫度介於 -40°C 至 +85 °C。(圖片來源：Abracon)

ASADV 尺寸為 2.0 x 1.6 x 0.8 mm、ASDDV 尺寸為 2.5 x 2.0 x 0.95 mm、ASEDV 尺寸為 3.2 x 2.5 x 1.2 mm。這三個系列提供多種常用工作溫度範圍、穩定度選項、CMOS/HCMOS/LVCMOS 相容輸出格式。

值得一提的是，ASADV、ASDVD、ASEDV 系列經過最佳化，可達到低電流作業 (圖 4)。輸出啟用／停用功能可在停用時降低電流至 10 μA。最快啟動時間為 10 ms。

圖 4：ASEDV 與電源供應電壓的電流消耗，這是此系列 SPOX 的典型效能 (在 25°C ±3°C 量測)。(圖片來源：Abracon)

這三系列的 SPOX 具有相當低的電流消耗。ASADV 的最大電流 (在 25°C、15 pF 負載量測) 範圍介於 1.0 mA、1.25 MHz、電源電壓為 1.8 V 至 14.5 mA 、81 MHz、電源電壓為 3.3 V。ASDDV 和 ASEDV 的最大電流範圍介於 1.0 mA、1 MHz、電源電壓為 1.8 V 至 19 mA 、157 MHz、電源電壓為 3.3 V。

此元件可以驅動多重負載，並具有良好電磁干擾 (EMI) 效能和低抖動。規格為小於 1.0 ps 的 rms 相位抖動，以及最大 7.0 ps 的週期抖動。

SPXO 也在其完整工作溫度範圍內提供良好頻率穩定度 (圖 5)。在許多應用中，這些振盪器可以用於立即可用解決方案，只需少量設計作業。亦可免去偏壓特定振盪器選項的需求，並且移除偏壓相依頻率變化。

圖 5：這些 SPXO 在完整溫度範圍內具有良好頻率穩定度。此 ASEDV 系列的圖為典型。(圖片來源：Abracon)

最後，當衝擊和振動並非關鍵考量時，ASADV、ASDVD、ASEDV 連續電壓表面黏著晶體振盪器可以用於成為微機電系統振盪器 (MEMS) 的低成本替代品。

結論

設計人員需要精密且可靠的振盪器，在多種應用和操作溫度下提供穩定計時。離散式晶控振盪器可以符合所需效能特性，但有效率的設計晶體在技術上有其難度、耗時、成本高昂，且在尺寸上無法達到最佳化。

如本文所述，設計人員可以改用整合式低功率 SPOX 提供的立即可用計時解決方案，在寬廣的作業溫度範圍內取得良好頻率穩定度。使用 SPOX，設計人員可以降低元件數、縮減解決尺寸、減少組裝成本、提升可靠度。

推薦閱讀

《如何選擇並有效應用振盪器》