超低功耗晶体振荡电路---32KHz，300nA

adele

利用亚阈值导通来做amplitude regulation, 整个32KHz晶体振荡电路只耗电300nA.
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？

monkeybad

我只有做過crystal oscillator 用簡單的一顆inverter來實現
! M. {# L( p9 G這種ultra-low power crystal oscillator目前正在研究中
% G; S& o# U, P% u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
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)
希望有做過的人能提供一些經驗!
這邊有一些參考文件
/ Y7 p& d  S- P1 u7 N- t# b$ Khttp://seniordesign.engr.uidaho.edu/2005_2006/cypressr/Documentation/Proj.pdf
9 I2 ^! H8 m3 Y. p% h+ k0 rhttp://www.mos-ak.org/EVittoz_Swiss_Origins_of_LP_ICs.pdf
$ k7 i" m& L7 y' I) E( h
/ O* z; s* Y4 Z1 J) b1 |* b" ]9 E) V[ 本帖最後由 monkeybad 於 2008-7-30 10:31 AM 編輯 ]

finster

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
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
* ], g% o: ^4 T9 m( u9 P+ y- R  n1 z& T) y( @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
8 L: U( q" D' B9 f8 q9 F+ Y- i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
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
8 N$ @" y! c+ z/ i& [而且,需要特別考量到ESD Protection device的leaking current問題
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
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

lrong

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.

cc2052

剛好我做過, 但是tape out 還沒回來, 我只能提供 simulation 的結果

9 k! Y0 r1 A" m(1) total current < 1uA 是可以達得到的, 但是這是在 steady-state oscillation 的電流
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

2 d; S& }! n" Y(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

(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.  
: S! A9 T# b, }9 Q! `    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.

8 V5 _! `# D% E  @6 v(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
: T  Z0 c( c' F6 y! q' b$ o  l    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

" ]% D, G( W0 m+ p& z(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
" |; n5 d; g0 v  M( D7 C4 S; C! `* y
9 i1 g, ]! y* F( i4 F
! x* ~$ @3 Y, e* z' e$ T6 Q( e8 K    你要做到 300nA, 我發覺很難啦.....

monkeybad

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)
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
3 o* Q) _3 K- x+ g" Q+ i這是我目前看到RTC規格最高的 真是小到靠杯!
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
" e% f1 C2 U- p6 T5 t" u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
(溫度我目前先定在25度)
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
( R% s5 w% R" _9 j3 V% u/ w- }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
& a9 |/ E9 X  `" j1 N: Q  G看來有機會達到250nA左右 但是還在努力當中......

) `/ g# N1 W% X' d2 j+ N[ 本帖最後由 monkeybad 於 2008-8-7 02:45 PM 編輯 ]

adele

谢谢大家的回复，原来都在研究低功耗啊！
# b9 m- N& `; j+ l: q" ^
cc2052：不知你的电路波形是怎么输出的。
" i8 _: R- a) E! T: @+ o/ A) y( H
% Q) o) I" S- u& z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。
) B( u5 S. ?2 d/ D% X# z0 o; Z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？

adele

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。
+ G& M) S- @% N& X! R) k9 Q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！

monkeybad

差不多就是這樣子吧
+ g# J4 ]/ l) E; F# _' M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
5 D6 C# ~& v" ^% Q) a( j- e- I: R目前模擬起來應該是用120nA以內就可以震盪了
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)
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
6 N* Z4 U, }% z9 m+ N& f1 }, x
[ 本帖最後由 monkeybad 於 2008-8-11 05:02 PM 編輯 ]

alab307

Node A&B要對地+電容試試看
" f& g& ?6 C, n1 N( K+ T" k3 k1 [
即使應用電路上不想加
只要出pin, 總會有個數P的電容

monkeybad

感謝alab307的建議
9 F8 f) ~( g2 k0 z! Y4 t( acrystal 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
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
8 U/ k! {  Q: g; ]還有掛上pad的model下去跑模擬(好像DC偏壓點會有影響耶)

scy8080

http://www.mos-ak.org/EVittoz_Swiss_Origins_of_LP_ICs.pdf
这篇文章不能下载了，能不能共享一下啊？
5 v  P# X* u: ]( v7 q3 y& H谢谢

5 [" U) w4 ^. o! K5 A2 N[ 本帖最後由 scy8080 於 2009-10-22 05:02 PM 編輯 ]

fcchang

請問一下各位,
目前正在開發一個ic，不希望其外掛Xtal
* j' l7 c+ {% [8 t$ @8 F8 R5 f希望改由內建的OSC來做到
' O8 v, e% V! A2 \0 z; B可是請模擬出來的結果約要 1-mA(osc+PLL)
5 |2 o! Q  }8 J2 [- V頻率約為 200-MHz+/-1%
遠比各位高手大的多
4 t  S- \& D& \. b不曉得個位是否有任何意見可供參考

penyu1987

回復 6# monkeybad


* H# z# S" u1 M, c0 n1 H+ z  O    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