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.
1 a, {* i! j9 O% i$ H8 m$ J# a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
這種ultra-low power crystal oscillator目前正在研究中
- G' E2 R/ i9 \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)
$ n* |) ~: L" ~0 T. t希望有做過的人能提供一些經驗!
這邊有一些參考文件
http://seniordesign.engr.uidaho.edu/2005_2006/cypressr/Documentation/Proj.pdf
* a: a7 c9 o/ nhttp://www.mos-ak.org/EVittoz_Swiss_Origins_of_LP_ICs.pdf
1 r3 }* j9 w( A/ K& v
$ H% r" e! [& R: \: N[ 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
" A6 {) F4 l9 D- f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
0 U6 m: |" v  J1 L7 J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
# h0 a; Z) E; P1 E5 q4 y$ s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
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
" J$ f+ U6 e, k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
6 @  r! ?: y; d: ?
- i) Y3 S: j# |(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) 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

7 ?1 ?* I- E, j9 ?(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.  
    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.

(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
' B5 k3 U8 O6 }    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

; L3 a6 E* {- m" ?' P" r  N(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
& t7 V$ h6 V- G6 X& s5 U
& ~2 P. z# D, _: v$ h0 v& o
    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)
/ t9 O6 s. \4 f  y5 a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
2 h( R2 E: V, C8 M* ?" J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
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
) y2 k- A& l  F- q0 \4 o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
) |% k1 M# H1 Z0 p- Q* w, @看來有機會達到250nA左右 但是還在努力當中......

[ 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！
% P9 T% R4 X9 B4 c5 ~
cc2052：不知你的电路波形是怎么输出的。
4 f: ~$ T4 j- ~+ s; t
! i4 n5 f2 e% ~9 k7 o# B% [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。
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。
( ~! [+ I; C1 a6 H! M/ ]% X  _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
9 M4 B1 X* ]( P, b7 q/ X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
目前模擬起來應該是用120nA以內就可以震盪了
3 {4 L! P- b8 \$ a2 P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)
9 c- Z. P5 J1 n& s6 s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
  q5 N9 `  d% {
[ 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

7 ?0 f# g1 l# x' b* ~即使應用電路上不想加
! l  p  M4 X: y1 v只要出pin, 總會有個數P的電容

monkeybad

感謝alab307的建議
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
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
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
) \! m7 C1 W7 ]5 P% b2 r- z这篇文章不能下载了，能不能共享一下啊？
" H4 `; s- {. t) K谢谢
! H: E) l: P, K. w: d) G* U
' g" Y: B$ |, W+ V' I: h% R" @[ 本帖最後由 scy8080 於 2009-10-22 05:02 PM 編輯 ]

fcchang

請問一下各位,
2 f' O. o) J' z  c* W- m目前正在開發一個ic，不希望其外掛Xtal
希望改由內建的OSC來做到
- ^- A3 F. ?: L' u可是請模擬出來的結果約要 1-mA(osc+PLL)
1 L- j$ o) {. h: y. T0 \" A1 U頻率約為 200-MHz+/-1%
! R. w* E- ^) {遠比各位高手大的多
3 m' o0 B3 \: h+ W) g3 Y: C0 R不曉得個位是否有任何意見可供參考

penyu1987

回復 6# monkeybad

! k3 V1 Y4 z9 k8 F. }# T
8 E4 @9 |/ c7 u  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