低电流应用的振荡器设计注意事项

本应用笔记描述了低频振荡器设计和晶体选择如何影响工作电流。当振荡器采用容量有限的电源（如纽扣锂电池或超级电容器）运行时，最小化工作电流会增加工作时间。

介绍

Maxim拥有丰富的低功耗、电池备份实时时钟（RTC）产品组合。Maxim设计RTC时，主要考虑因素是当RTC采用备用电源供电时，将振荡器的功耗要求降至最低，从而最大限度地延长备份电源的使用寿命。晶体振荡器提供合理的精度，多年来的开发工作一直专注于最小化功耗。

振荡器设计目标包括：

提供足够的电流和增益来启动和维持振荡

提供宽工作电压范围

将外部噪声对精度的影响降至最低

关键晶体和振荡器参数

图1显示了晶体谐振器的等效电路。晶体有两个零相位的频率，如图2所示。较低的频率是串联谐振频率。在串联谐振频率下，L1和C1抵消，阻抗由R1确定。 第二个更高的频率是并联谐振频率。在并联共振时，电阻最大。

并联谐振振荡器电路（图3）使用设计为在指定负载电容下工作的晶体。这导致电路在串联谐振点和并联谐振点之间的频率下工作。负载电容的变化会导致振荡器频率的变化。

晶体等效串联电阻（ESR）在经过SMT回流焊后趋于向上移动，因此与通孔封装晶体相似的SMT晶体可能具有更高的最大ESR规格。同样，较小的音叉晶体通常比较大的音叉晶体具有更高的ESR规格。

图1.晶体谐振器的等效电路。

图2.晶体相位和阻抗响应。

图3.穿孔型（逆变器变化）振荡器电路。

振荡器电流

正如 Eric Vittoz 所观察到的，当晶体振荡器电路（图 3）中的两个负载电容值相等时，振荡（或临界跨导）的最小电流可以用下面的公式近似。

 

g麦克利特≈ 4Ω² × CL² × R红沉降率

（公式1）

 

其中 ω 是以弧度为单位的频率，CL为等效容性负载，R红沉降率是晶体的ESR。假设振荡器是弱反转工作的CMOS器件。

Vittoz 还确定振荡器幅度和偏置电流由以下公式相关：

 

（公式2）

 

我在哪里

B0和我B1是零阶和一阶修改的贝塞尔函数。

因此，我们可以显示给定振荡器电压下振荡器电流与不同ESR和C值之间的关系L，如以下示例所示。假设 V1= 400mVP-P纽T= 26mV，ESR = 35kΩ，CL= 6pF，然后

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

表 1 显示了两个 C 之间的关系L和振荡器电流上的 ESR，使用 V 的值1和 nUT以上。

表 1.晶体 ESR 和 CL与振荡器电流的比较

 

ESR （Ω）	CL（pF）	IO（nA）
35,000	6	22.2
70,000	6	44.4
35,000	12.5	88.9
70,000	12.5	177.8

 

由于在g的方程中麦克利特该 CL项为平方，负载电容加倍具有使振荡器电流增加四倍的效果。将晶体ESR提高两倍会导致所需的振荡器电流加倍。请注意，这是估计的最小振荡器电流，不包括用于放大振荡器输出的附加电路消耗的电流，也不包括用于将频率分频至1Hz的器件中的电流。

振荡器设计要求

振荡器的设计应使其具有足够的增益，可以在整个工作温度和电压范围内工作。在工作条件下，幅度必须始终足以驱动以下增益和缓冲级。为了最小化振荡器电流要求，对于给定的振荡电压，低CL是需要的。下 CL但是，会增加振荡器对外部噪声影响的敏感性。低 C 的可用性差L晶体可以选择具有更高C的晶体L必要的，但代价是振荡器电流增加。同样，如果设计需要小型晶体封装，则需要驱动高ESR晶体的振荡器设计，从而增加必要的振荡器电流。

此外，用于添加所需功能的电路，例如用于提高振荡器抗扰度的毛刺滤波器，或用于检测振荡器何时停止的电路，都会增加电路的总电流消耗。

结论

在为低功耗RTC设计振荡器时，需要考虑许多权衡。增加 CL将提高抗噪性，并可能提供更多的晶体型号可供选择，但代价是振荡器电流。同样，设计振荡器以使其以相对较高的ESR晶体运行需要更高的振荡器电流。增加毛刺滤波器或振荡器停止检测电路也增加了有益的功能，但会消耗额外的电流。

审核编辑：郭婷