低電流應用的振蕩器設計注意事項

本應用筆記描述了低頻振蕩器設計和晶體選擇如何影響工作電流。當振蕩器采用容量有限的電源（如紐扣鋰電池或超級電容器）運行時，最小化工作電流會增加工作時間。

介紹

Maxim擁有豐富的低功耗、電池備份實時時鐘（RTC）產(chǎn)品組合。Maxim設計RTC時，主要考慮因素是當RTC采用備用電源供電時，將振蕩器的功耗要求降至最低，從而最大限度地延長備份電源的使用壽命。晶體振蕩器提供合理的精度，多年來的開發(fā)工作一直專注于最小化功耗。

振蕩器設計目標包括：

提供足夠的電流和增益來啟動和維持振蕩

提供寬工作電壓范圍

將外部噪聲對精度的影響降至最低

關(guān)鍵晶體和振蕩器參數(shù)

圖1顯示了晶體諧振器的等效電路。晶體有兩個零相位的頻率，如圖2所示。較低的頻率是串聯(lián)諧振頻率。在串聯(lián)諧振頻率下，L1和C1抵消，阻抗由R1確定。 第二個更高的頻率是并聯(lián)諧振頻率。在并聯(lián)共振時，電阻最大。

并聯(lián)諧振振蕩器電路（圖3）使用設計為在指定負載電容下工作的晶體。這導致電路在串聯(lián)諧振點和并聯(lián)諧振點之間的頻率下工作。負載電容的變化會導致振蕩器頻率的變化。

晶體等效串聯(lián)電阻（ESR）在經(jīng)過SMT回流焊后趨于向上移動，因此與通孔封裝晶體相似的SMT晶體可能具有更高的最大ESR規(guī)格。同樣，較小的音叉晶體通常比較大的音叉晶體具有更高的ESR規(guī)格。

圖1.晶體諧振器的等效電路。

圖2.晶體相位和阻抗響應。

圖3.穿孔型（逆變器變化）振蕩器電路。

振蕩器電流

正如 Eric Vittoz 所觀察到的，當晶體振蕩器電路（圖 3）中的兩個負載電容值相等時，振蕩（或臨界跨導）的最小電流可以用下面的公式近似。

其中 ω 是以弧度為單位的頻率，CL為等效容性負載，R紅沉降率是晶體的ESR。假設振蕩器是弱反轉(zhuǎn)工作的CMOS器件。

Vittoz 還確定振蕩器幅度和偏置電流由以下公式相關(guān)：

（公式2）

我在哪里

B0和我B1是零階和一階修改的貝塞爾函數(shù)。

因此，我們可以顯示給定振蕩器電壓下振蕩器電流與不同ESR和C值之間的關(guān)系L，如以下示例所示。假設 V1= 400mVP-P紐T= 26mV，ESR = 35kΩ，CL= 6pF，然后

≈ 4，然后
IO≈ 4Ω2 × CL2 × R紅沉降率× nUT× 4
≈ 4 × （32，768 × 6.283）2 × （6e-12）2 × 35e+3 × 0.026 × 4
≈ 22.2nA。

表 1 顯示了兩個 C 之間的關(guān)系L和振蕩器電流上的 ESR，使用 V 的值1和 nUT以上。

表 1.晶體 ESR 和 CL與振蕩器電流的比較

由于在g的方程中麥克利特該 CL項為平方，負載電容加倍具有使振蕩器電流增加四倍的效果。將晶體ESR提高兩倍會導致所需的振蕩器電流加倍。請注意，這是估計的最小振蕩器電流，不包括用于放大振蕩器輸出的附加電路消耗的電流，也不包括用于將頻率分頻至1Hz的器件中的電流。

振蕩器設計要求

振蕩器的設計應使其具有足夠的增益，可以在整個工作溫度和電壓范圍內(nèi)工作。在工作條件下，幅度必須始終足以驅(qū)動以下增益和緩沖級。為了最小化振蕩器電流要求，對于給定的振蕩電壓，低CL是需要的。下 CL但是，會增加振蕩器對外部噪聲影響的敏感性。低 C 的可用性差L晶體可以選擇具有更高C的晶體L必要的，但代價是振蕩器電流增加。同樣，如果設計需要小型晶體封裝，則需要驅(qū)動高ESR晶體的振蕩器設計，從而增加必要的振蕩器電流。

此外，用于添加所需功能的電路，例如用于提高振蕩器抗擾度的毛刺濾波器，或用于檢測振蕩器何時停止的電路，都會增加電路的總電流消耗。

結(jié)論

在為低功耗RTC設計振蕩器時，需要考慮許多權(quán)衡。增加 CL將提高抗噪性，并可能提供更多的晶體型號可供選擇，但代價是振蕩器電流。同樣，設計振蕩器以使其以相對較高的ESR晶體運行需要更高的振蕩器電流。增加毛刺濾波器或振蕩器停止檢測電路也增加了有益的功能，但會消耗額外的電流。

審核編輯：郭婷