物联网和可穿戴设备需要性能优化的低消耗石英晶体

物联网市场正以惊人的增长速度发展，其中物联网相关硬件，软件,有源晶振和其他综合解决方案的行业预测为4,700亿美元。目前安装的154亿台设备基数预计到2020年将超过307亿台。包括英特尔，ARM，三星和高通公司在内的主要ICOEM正在积极开发低至10nm甚至7nmFinFET架构的简化工艺几何结构。

这一行业趋势背后的主要推动力与总消耗功率的降低有关，同时提高了整体性能。正在努力促进电池供电终端解决方案（消费者，医疗，物联网，工业等）的实际实施，在功能丰富的环境中需要极低的功率。然而，这些进步对传统的无源时钟晶振电路产生了重大影响。

集成时钟方案主要基于世界着名的PierceOscillator配置;在图3A-3B中描绘了简化的配置。由于高质量进口石英晶体变得至关重要，因此在皮尔斯振荡器环路中偏置反相器放大器级的电流镜会使放大器“挨饿”。该方法对逆变器放大器块的跨导具有显着影响，其反过来对闭环晶体振荡器电路的前向增益裕度（GM）具有深远的影响。

正向增益（GM）和放大器跨导之间的关系是

deGM=gm/gmcritical............（1）;

 gm=逆变器放大器的跨导,单位是μA/V.

 gm（临界）=使放大器保持线性的临界跨导值.

对于使用逆变器放大器作为增益级的稳健振荡，目标GM>5.0且最小期望值>3.0已成为行业惯例。对于闭环贴片石英振荡器电路，gm（临界）定义为如下：

Gm(临界）=4*ESR*（2πF）2*（C0+CL）2............（2）

从等式（1），为了获得更高的GM值，最好降低gm（临界）值。从等式（2）开始，最终目标是增加GM值，减少所有三个参数（ESR，C0和CL）的影响至关重要。通过仔细设计电极图案，以及利用最先进的小型32.768KHZ贴片封装晶振，可以很好地控制C0的值。ESR和CL

  然而，提出了一个独特的挑战。这两个参数具有不同的依赖性意味着，如CL减少，ESR趋于上升，因此净影响趋于保持平稳或恶化。在最新的几何FPGA，μControllers,μProcessors，ASSP等中，内在gm值显着降低，这一挑战进一步加剧。例如，基于14nm节点的低能μ控制器为32.768kHz嵌入式振荡器环路指定了低至2.7μA/V的gm值。

从该分析可以看出，晶体电镀负载对闭环增益（GM）具有深远的影响;具有固定的C0和gm值。此外，随着gm值在10nm和更小的几何硅中减小，维持振荡的能力将变得越来越具有挑战性。