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標題:
超低功耗晶体振荡电路---32KHz，300nA
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作者:
adele
時間:
2008-7-28 09:32 AM
標題:
超低功耗晶体振荡电路---32KHz，300nA
利用亚阈值导通来做amplitude regulation, 整个32KHz晶体振荡电路只耗电300nA.
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有做过类似电路的吗，感觉较难控制，亚阈值导通区的特性稳定吗？
作者:
monkeybad
時間:
2008-7-30 10:18 AM
我只有做過crystal oscillator 用簡單的一顆inverter來實現
$ @+ J7 E/ I2 s* o$ h" k
這種ultra-low power crystal oscillator目前正在研究中
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看一些paper好像是讓MOS偏壓在weak inversion的區域 此時MOS I-V曲線呈指數變化
$ Q4 v1 T" B$ ^" v
所以可以用非常低的電流 但是反而獲得較高的gm(難怪之前都調不出來這麼低的電流)
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希望有做過的人能提供一些經驗!
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這邊有一些參考文件
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http://seniordesign.engr.uidaho.edu/2005_2006/cypressr/Documentation/Proj.pdf
9 n+ r* n! _7 R( ^! |
http://www.mos-ak.org/EVittoz_Swiss_Origins_of_LP_ICs.pdf
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本帖最後由 monkeybad 於 2008-7-30 10:31 AM 編輯
]
作者:
finster
時間:
2008-7-31 05:05 PM
我以前有作過只有3uA的32.768KHz crystal oscillator電路,實際ic回來量測大概只有5uA
" t: E5 N$ w3 a/ f/ P+ W
若要作到小於1uA的crystal oscillator,以我以前的經驗來說,其實難度實在頗高
+ n" ^; `) c( o Z) v
我以前是先到IEEE上找相關的paper,然後研讀推導一下各種架構的運作方式,然後再找一種"我認為"最可行的作為設計電路的範本
* S1 Q6 T4 P5 g3 s. _
我以前所採用的架構是bias current source + inverter的架構,bias current source是採用long channel的size來壓低current
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另外,因為我當初要作到只有3uA,所以電路的path能省則省,每條path的current幾乎都壓在小於1uA以下
2 A/ X2 v0 Y- D; ^/ N
而且,需要特別考量到ESD Protection device的leaking current問題
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當初我一開始設計時,並沒有掛上ESD Protection device,所以等到設計模擬都OK了,才掛上ESD Protection device,不過,當時掛上ESD Protection device後卻不會振盪,那時花了不少時間尋找問題的根源,最後才發現到因為total current要在3uA,所以每條path current都在1uA以下,以致於ESD Protection device的leaking current反而左右了我原本設計的bias voltage準位,以致於無法振盪,所以,設計這種low current circuit真的要很小心
# }( M5 g* }( u- S0 b
最後,還有一點需特別小心的是這種low current crystal oscillator,它的output clock waveform的rise time和fall time會拖的很長且慢,這種波形對於數位電路來說會被重覆trigger,故而,在數位電路之前一定要加schmitter trigger circuit來解決這種問題
作者:
lrong
時間:
2008-8-6 08:25 AM
標題:
低功耗的设计
如前位仁兄所说,利用MOS亚阈区的I-V特性来实现oscillator的工作用regulator,这样相对保持它工作在一个稳定的电压条件,这样它的频率飘逸才可以在100PPM以内.如果单制作一个oscillator不包含其他的电路,pd实现300nA还是可以的,类似的请查看Ricoh的2051/2023,它的最小idd在400nA(typical),die size 也很小.估计工艺在0.35um or 0.25um.
作者:
cc2052
時間:
2008-8-6 02:55 PM
剛好我做過, 但是tape out 還沒回來, 我只能提供 simulation 的結果
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! i- b4 V, ]+ H9 \ n* U
(1) total current < 1uA 是可以達得到的, 但是這是在 steady-state oscillation 的電流
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start-up 的電流, 應該是會在幾個 uA, 因為啟動時候你會需要比較大的 gm
m: f( U/ h3 [, a: Q; ~, R' Z5 Z) D
+ t1 L: V, O8 X
(2) 除了 oscillation gm 電路之外, 你需要 automatic gain control (AGC) 來偵測 oscillation amplitude. amplitude 愈大, AGC 就會去調整 bias current
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# Y* Z& M5 A. Y1 X' l
(3) Eric Vittoz 有提供參考電路, 我是照著做他的電路做, 再去調整 size.
4 l' F3 I- _ ]7 a/ I
版主 Monkeybad 提供的那二份資料我都看過, 那是非常棒的資料, 解說詳盡, 應該夠用了.
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(4) 我的電路結果: TT case: start-up 5uA; steady-state 1uA 以上只包含 analog 的電流, 不包含其他 digital counter/divider 等等
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FF 125C / SS 0C 這二個 cases 要同時弄到好很不容易, 花點時間 try. 一個弄好了, 另一個就跑掉了
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(5) simulation option time step 要設小 要不oscillation有可能不發生, 或是 steady-state oscillation current 會算的比較大
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你要做到 300nA, 我發覺很難啦.....
作者:
monkeybad
時間:
2008-8-7 02:41 PM
看別人的datasheet 像我們公司以前用的seiko S-35390A 整顆RTC(包含震盪器跟數位電路)
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消耗的電流只有250nA 操作電壓在1.1V-5.0V 另外我還看到一家瑞士在做石英震盪器出的一款RTC 也是這個spec
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這是我目前看到RTC規格最高的 真是小到靠杯!
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目前正在持續挑戰這個spec 我後來oscillator改成paper的架構 目前Hspice模擬在steady state
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是可以小於120nA的 我用smic18做的 震盪頻率32768Hz 操作電壓在1V-3.3V 跑TT FF SS SF FS五個corner
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(溫度我目前先定在25度)
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但是啟動的情形還沒有模擬 還有amplitude control我還沒有加進去 不知道這樣是不是會造成頻率漂動勒
7 d! a; J5 q9 D' ]3 i6 ~3 l, t
後面接的Schmitt trigger以及除頻的電路我是用限流的方法做 消耗的電流大概在100nA以內
( O3 {9 ~. d1 P4 h& E' \; @
看來有機會達到250nA左右 但是還在努力當中......
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[
本帖最後由 monkeybad 於 2008-8-7 02:45 PM 編輯
]
作者:
adele
時間:
2008-8-8 02:44 PM
谢谢大家的回复，原来都在研究低功耗啊！
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cc2052：不知你的电路波形是怎么输出的。
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5 U9 e9 Z( g4 E5 ?0 s
主体的振荡电路在几百nA是可以的，就是要将振荡出的波形buffer出来，整成方波，很费电流。
" D3 K7 H( B2 H. |2 A; ?- x2 S3 m& K
这个buffer是用paper上说的结构，还是就将振荡出的幅度设的较大，后面直接加反向器整成方波？
作者:
adele
時間:
2008-8-8 02:47 PM
还有一个问题，有听说现在都有人不用晶体了，也不是那种硅振荡器。
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好像是多谐振荡器，但是想不通这能达到晶体的频率准确度吗，也没有好的办法来校准啊！
作者:
monkeybad
時間:
2008-8-11 04:59 PM
標題:
回復 7# 的帖子
差不多就是這樣子吧
* q8 m7 E; T. z6 F: J
主體震盪器用小電流震出一個sin波 後面再加個放大器放大 下面附圖是我目前的模擬電路 給大家參考一下 希望有經驗的能一起討論 提供一些意見 或是哪邊需要修改的 請不吝指正
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目前模擬起來應該是用120nA以內就可以震盪了
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後面我目前是接Schmitt trigger以及除頻的電路(另外有再加一些頻率校正的邏輯控制電路) 然後會震出一個除以7的clock 這邊因為有點耗電 我是在電路上面掛一個電流源來限流這樣(限流這我自己想的 不一定是正統的solution)
7 K. ], D% k! P" u/ w
接著就接一個除以8的電路 還有一些進位的數位邏輯電路 能產生秒 分 時等等
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本帖最後由 monkeybad 於 2008-8-11 05:02 PM 編輯
]
作者:
alab307
時間:
2008-8-12 09:54 AM
Node A&B要對地+電容試試看
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即使應用電路上不想加
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只要出pin, 總會有個數P的電容
作者:
monkeybad
時間:
2008-8-13 02:39 PM
感謝alab307的建議
' Y; U3 B. }/ J4 a' p7 X
crystal input和output寄生電容 我是直接加在HSPICE指令裡面 圖上沒有畫出來
8 N9 @6 \0 ~+ z, N) s4 K% M
A B兩個點我是大概加個10p左右的電容下去模擬 另外為求貼近真實情況
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還有掛上pad的model下去跑模擬(好像DC偏壓點會有影響耶)
作者:
scy8080
時間:
2009-10-22 05:00 PM
http://www.mos-ak.org/EVittoz_Swiss_Origins_of_LP_ICs.pdf
3 f$ I: [3 D1 H1 n e
这篇文章不能下载了，能不能共享一下啊？
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谢谢
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; ^5 F& U: c9 R/ b" h. }% ]
[
本帖最後由 scy8080 於 2009-10-22 05:02 PM 編輯
]
作者:
fcchang
時間:
2009-10-25 03:01 PM
請問一下各位,
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目前正在開發一個ic，不希望其外掛Xtal
% D0 S, Y* d1 }- J
希望改由內建的OSC來做到
8 I1 I) `' W# G) ]/ X
可是請模擬出來的結果約要 1-mA(osc+PLL)
- H' ~$ _) d. ?* U! v, D
頻率約為 200-MHz+/-1%
( _* A3 S0 M5 j6 Z
遠比各位高手大的多
* g% }) d4 O B$ j
不曉得個位是否有任何意見可供參考
作者:
penyu1987
時間:
2012-5-25 07:43 AM
回復
6#
monkeybad
. \: |1 x' r3 r7 J
4 v9 T9 U2 i- ?% y
: y* [) a! ^; U9 W3 z1 N6 ^" v
這個帖太經典了~請問三年後的現在能做到什麽水平?? 最近也在設計低功耗OSC,單pin,500nA,32K,難度大嗎? 謝謝
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