独家分享CTS低功耗应用的晶体振荡器解决方案
　　物联网[IoT]是一种新的无线试金石,它将实时信息,控制介质和集线器连接到无线设备,例如电话,平板电脑和计算机.这些应用广泛用于智能家居,智能城市,智能工厂,智能医疗保健,智能农业和智能能源.通信协议和传输频率受IPv6,UDP,QUIC,Aeron和uIP等标准的指导.结果,为满足新的通信要求而创建的下一代MCU,SoC或FPGA挑战了芯片组设计人员开发的架构,该架构可提供改进的快速通信,低噪声性能,而且功耗低.利用低功率元件有助于长时间连续工作,但同时也增加了挑战,例如降低振荡器增益裕度和信噪比.
　　当前有数十亿个已连接的物联网设备.预计在未来十年内,随着5G基础设施以及更便宜的消费类设备将随时可用,连接设备的数量将呈指数级增长.5G承诺的看似无限的连接将继续给基础设施带来负担,并推动芯片组性能的极限,要求时序模块和相关的频率基准提供非常可靠的低功耗运行.
　　利用具有较低增益裕度[GM]的振荡器设计的高级IoT芯片组需要具有低等效串联电阻[ESR]和低电镀电容[C0]的晶体,以确保在较宽的温度范围和较低的电池功率水平下快速启动.许多芯片组[MCU,FPGA和SOC]的RF功能或时序模块使用片上Pierce振荡器配置来生成参考时钟频率.通常,该模块是一个反相器放大器,该驱动器通过添加一个外部石英晶体谐振器[Y1]和两个负载电容器[CL1,CL2]来驱动谐振回路,如图1所示.可以包括一个附加的反馈电阻以帮助稳定直流工作点.

图1:皮尔斯振荡器

　　使用芯片组制造商提供的反相放大器的跨导值,可以计算出由放大器反馈环路和晶振谐振环路完成的参考时钟的增益裕度GM.参见图1.为在所有环境条件下保证晶体谐振电路的正常工作,增益裕度GM[或安全系数]至少应大于3.0,目标目标应大于5.0.

　　gm=逆变器放大器跨导,以mA/V或µA/V为单位.
　　gm[minimum]=跨导值的极限,以mA/V或µA/V为单位,以确保适当的振荡.
　　晶体的等效电路值也会影响增益裕度GM,并通过以下计算加以说明.参见图2作为参考.
　　gm[最小值]=4*R1*[2πf]2*[C0+CL]2
　　R1=晶体的运动串联电阻[ESR]C0=晶体的分流电容
　　[电极和封装电容]CL=晶体的电镀负载电容
　　通过这个公式,并假设芯片组的反相放大器的gm值为固定值,它显示了增加增益裕量GMis减小gm[minimum]的唯一方法.为低功率运行而开发的晶体的C0典型值小于3.0pF,gm[最小值]取决于R1的值和所选的负载电容CL.采用最小的串联电阻值对CTS IoT增强型晶振[4xxW系列]进行设计和处理,再加上较小的负载电容选项,从而确保了安全增益裕量GM,可在所有条件下支持低功耗和可靠运行客户应用程序.

图2:晶体等效电路

CTS IoT频率参考产品组合:
　　包含上述RF功能的MCU,FPGA或SOC通常用于通过无线协议发送和接收各种信息.这些芯片组需要MHz范围内的参考晶体来完成提供主系统数据时钟信号的振荡器电路.此外,芯片组还可以包含用于计时功能的实时时钟参考[kHz晶体].为了支持用于物联网的下一代芯片组,CTS开发了晶体系列,这些石英晶振系列具有前面概述的性能属性.
物联网增强型晶体[4xxW系列]:
　　新的CTS晶振型号[412W,416W,402W,425W,403W]提供增强的设计参数,这些参数针对的是用于消费者和工业[IIoT]的IoT企业中使用的低功耗无线协议.这些包括工作温度范围为-40℃~+125℃,严格的公差和稳定性选项,低电镀电容,较小的负载电容值以及各种行业标准的封装尺寸.

关键4xxW晶振参数
　　•低电镀电容[C0],<3.0pF
　　•低ESR范围[R1]
　　•小负载电容选项[CL]
　　•温度范围为-40℃~+125℃
　　•稳定性选项±10ppm~±150ppm
　　•基本晶体设计
　　•小型陶瓷表面贴装
　　•卷带包装

模型/数据表	包装尺寸[mm]	频率[MHz]	公差@+25℃	最大ESR[Ohm]
412W	1.2x1.0	32~80基础	±7ppm~30ppm	100~60
416W	1.6x1.2	24~52基础	±10ppm~30ppm	150~80
402W	2.0x1.6	16~52基础	±10ppm~30ppm	150~50
425W	2.5x2.0	16~52基础	±10ppm~30ppm	100~40
403W	3.2x2.5	10~54基础	±10ppm~30ppm	150~35

低ESR音叉晶体@32.768kHz:
　　当今的许多电子设备都需要某种形式的计时,包括当前时间,日历事件或处理计划任务.跟踪时间并组织多项任务,例如进行测量,监视通信和按需监视唤醒;32.768kHz的实时时钟参考[RTC]提供了一种支持此类关键功能的经济有效的解决方案.
　　便携式或手持式电子产品使用低功耗FPGA和微控制器[MCU]来延长电池使用寿命,以延长其使用寿命.在低于+1.5V的电压下工作时,需要具有低ESR的晶体,以确保贴片晶振启动并在按需唤醒操作期间将电流消耗降至最低.CTS LowESR系列音叉晶体,最大电阻低至50k欧姆,具有~0.035ppm/℃2温度系数,+25℃转换点,标准负载电容选项的经典抛物线温度曲线,并提供三种行业标准陶瓷包装尺寸选择;3.2mmx1.5mm[TFE32],2.0mmx1.2mm[TFE20]和1.6mmx1.0mm[TFE16].

TFE晶体关键参数:
　　•低电镀电容[C0],典型值为1.0pF
　　•低ESR值[R1]<50k欧姆
　　•小型负载电容选项[CL]
　　•温度范围为-40℃~+85℃
　　•小型陶瓷表面贴装封装
　　•卷带包装

型号/数据表	包装尺寸[mm]	频率[MHz]	公差@+25℃	温度范围
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℃

实时时钟TCXO@32.768kHz:
　　对于需要更精确的32.768kHz参考(对于GPS功能通用)的应用,CTSRTC解决方案为TT32-TCXO型.TT32在+3.3V时的最大电流消耗为1.5µA,在-40℃~+85℃的温度范围内,在±5.0ppm时具有非常严格的频率稳定性;准确的时间保持温度变化;与使用音叉谐振器的简单晶体器件相比.TT32温补晶振的低功耗对于保持采用低功耗FPGA和微控制器[MCU]的便携式或手持式电子设备的电池寿命至关重要.这也将有助于在按需唤醒操作期间最大程度地降低电流消耗.

TT32-TCXO关键参数:
　　低电流消耗,<2A
　　紧密的频率稳定性,5.0ppm
　　温度范围为-40℃~+85℃
　　小型陶瓷表面贴装封装
　　胶带和卷轴包装

型号/数据表	包装尺寸[mm]	频率[MHz]	公差@+25℃	电源电压[V]	输出
TT32	3.2x2.5	32.768KHz	±5.0ppm	+1.8V~+3.3V	HCMOS

常见无线频率:

频率	无线协议	CTS解决方案
32.768kHz	实时时钟参考[RTC]	TFE16 TFE20 TFE32
12.00MHz	CAN总线,USB	403W
13.56MHz	射频识别	403W
16.00MHz	Wi~Fi,ZigBee,蓝牙,低功耗蓝牙	403W 425W 402W
19.20MHz	DECT,GPS,低功耗蓝牙
20.00MHz	Wi~Fi,蓝牙,USB
24.00MHz	Wi~Fi,蓝牙,低功耗蓝牙	403W 425W 402W 416W
25.00MHz	工业,科学,医疗广播频段
26.00MHz	WLAN,Wi~Fi,蓝牙,低功耗蓝牙,GSM,近距离通信
27.12MHz	射频识别
30.00MHz	工业,科学,医疗广播频段
32.00MHz	ZigBee,蓝牙,低功耗蓝牙,6LanPan,RF4CE,LoRa	403W 425W 402W 416W 412W
37.40MHz	Wi~Fi,蓝牙
38.40MHz	DECT,Wi~Fi,蓝牙
40.00MHz	Wi~Fi,蓝牙,低功耗蓝牙,近场通信,SimpleLink
48.00MHz	Wi~Fi,蓝牙,USB
52.00MHz	WLAN,Wi~Fi,GSM

结论:
　　物联网是一个无限的空间,它将继续发展,连接和交流各种设备,并且仅受人类想象力和创新的限制.随着低功耗的不断发展,在芯片组RF功能和相关频率参考的开发过程中,比以往任何时候都需要审查和考虑设计风险,以便为耐用的用户设备提供持久可靠的操作.
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