傳統(tǒng)上，電子鐘使用石英晶體，陶瓷諧振器或離散R, L或C元件作為計(jì)時(shí)參考，但這些設(shè)計(jì)中的每一種都有幾個(gè)缺點(diǎn)，使它們不適合各種應(yīng)用。石英晶體和陶瓷諧振器可能非常耗電，而且它們的精度受到環(huán)境壓力的影響。晶體振蕩器還有一個(gè)額外的缺點(diǎn)，就是容易受到?jīng)_擊或振動(dòng)的損害。RC振蕩器抖動(dòng)和精度差，或者需要昂貴的精密元件。一種更堅(jiān)固、更緊湊的替代方案是全硅時(shí)鐘，如LTC6906微功率電阻控制振蕩器。

LTC6906是一款單片硅振蕩器，與其他振蕩器相比，具有顯著的尺寸，功率，成本和環(huán)境靈敏度優(yōu)勢，它只需要一個(gè)外部電阻就可以將頻率設(shè)置在10kHz至1MHz的全范圍內(nèi)(圖1)。其0.65%的精度和抖動(dòng)低至0.03%，使其成為精密應(yīng)用的絕佳選擇，功率和尺寸優(yōu)勢使LTC6906適合設(shè)計(jì)晶體振蕩器永遠(yuǎn)不會(huì)去。

設(shè)備描述

LTC6906是Linear Technology的電阻控制SOT-23振蕩器系列的一部分。這些電阻控制振蕩器使用一個(gè)便宜的外部電阻來精確地設(shè)置振蕩器頻率，并且在電阻值和輸出頻率之間存在簡單的線性關(guān)系。

LTC6906采用創(chuàng)新的低功耗架構(gòu)，主振蕩器運(yùn)行在100kHz和1MHz之間。提供了一個(gè)三狀態(tài)分頻引腳，它可以接合一個(gè)內(nèi)部分頻器，將輸出頻率降低1、3或10倍，以提供10kHz至1MHz的總頻率范圍。為了在極低偏置電流下提高頻率范圍下端的精度，為頻率設(shè)置電阻輸入提供了保護(hù)引腳。

主振蕩器頻率由連接在set引腳和地之間的外部電阻設(shè)定。LTC6906將SET引腳維持在離地約650mV，溫度為-2.2mV /°C。主振蕩器頻率與SET電阻的關(guān)系如下:

并且只與SET引腳上的電阻有關(guān)，而不考慮確切的SET引腳電流或電壓。

低功耗

LTC6906運(yùn)行在100kHz時(shí)僅使用10μA(圖2)。該電流消耗有三個(gè)組件。內(nèi)部參考電路和偏置電路使用約5μA的靜態(tài)偏置電流。大約6倍于SET電阻器電流的可變偏置電流用于給內(nèi)部振蕩器供電和偏置。與負(fù)載電容、電源電壓和負(fù)載電阻有關(guān)的負(fù)載電流構(gòu)成了耗散方程的其余部分?？傠娫措娏鞯慕票磉_(dá)式為:

圖3顯示了在負(fù)載電容為5pF、無阻性負(fù)載的情況下，這三個(gè)分量在頻率范圍內(nèi)的相對(duì)幅度。

請注意，從100kHz到1MHz工作時(shí)，負(fù)載中耗散的功率占總功率的25%到40%以上。負(fù)載電容或電阻的任何減小都會(huì)對(duì)電源耗散的負(fù)載電流部分產(chǎn)生顯著影響。在100kHz時(shí)功耗低至7μA，且光輸出時(shí)間較長。降低電源電壓也降低了耗散到負(fù)載中的功率。

當(dāng)負(fù)載電流在較高頻率下較高時(shí)，嚙合內(nèi)部分壓器對(duì)功耗影響較大，但當(dāng)內(nèi)部偏置電流在較低主振蕩器頻率下占主導(dǎo)地位時(shí)，影響很小，如圖4所示。

選擇SET電阻器

SET電阻器的選擇取決于所需的輸出頻率。該部分指定的主振蕩器頻率在100kHz和1MHz之間，可能的DIV比率為1,3和10。這些DIV范圍重疊，并且一些頻率具有DIV和SET電阻值的多個(gè)有效組合。給定頻率的最低功耗總是通過設(shè)置盡可能高的SET電阻和盡可能低的DIV來獲得。使用DIV = 10和R(SET) = 100k歐姆產(chǎn)生100kHz比使用DIV = 1和R(SET) = 1000k歐姆消耗更多的功率。

下式將期望的主振蕩器頻率與R(SET)值聯(lián)系起來:

其中N是選擇1、3或10的分頻比，R(SET)是SET電阻值，f(OUT)是期望的輸出頻率。例如，在三個(gè)DIV設(shè)置下生成100kHz輸出頻率的有效R(SET)值參見表1。從表中可以明顯看出，根據(jù)DIV引腳的設(shè)置，特定輸出頻率的電流可能以高達(dá)4.5的因子變化。

選擇最大可能的SET電阻和最小可能的DIV值需要權(quán)衡。較小的DIV值會(huì)增加抖動(dòng)，并且由于SET引腳的泄漏，高R(SET)值可能會(huì)影響頻率精度，特別是在較高溫度下。

布局的考慮

LTC6906在商業(yè)溫度范圍內(nèi)的頻率精度為<0.65%，為了獲得最佳精度，必須注意限制R(SET)引腳周圍的電路板泄漏。對(duì)地的1G歐姆寄生電阻可使頻率變化0.1%，對(duì)正電源的相同電阻可使頻率變化0.3%。已經(jīng)提供了一個(gè)保護(hù)引腳，該保護(hù)引腳被弱驅(qū)動(dòng)到與SET引腳相同的直流電壓，并且保護(hù)信號(hào)應(yīng)該完全繞SET引腳布線，與設(shè)備在PC板的同一側(cè)，并且應(yīng)該沒有焊罩(見圖5)。

保護(hù)環(huán)并非在所有應(yīng)用中都是必需的，特別是那些具有較低SET電阻值和良好組裝實(shí)踐的應(yīng)用。大多數(shù)電路板泄漏問題是由于電路板上的焊劑清洗不夠或裝配草率造成的。完全清潔的組件，保護(hù)環(huán)是完全不必要的。

LTC6906使用開關(guān)電流來驅(qū)動(dòng)SET電阻，因此在SET線上可能會(huì)有一些可見的噪聲。雖然這種噪聲不會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成抖動(dòng)，但在SET引腳上存在寄生電容時(shí)，它會(huì)影響頻率精度。由于對(duì)寄生電容的這種敏感性以及由于長走線產(chǎn)生額外泄漏的危險(xiǎn)，建議將SET電阻盡可能靠近SET引腳，并與LTC6906位于PC板的同一側(cè)。

硅振蕩器的長期漂移

硅振蕩器的長期穩(wěn)定性以ppm/√為單位指定kHr，這是典型的其他硅器件，如運(yùn)算放大器和電壓參考。由于硅基振蕩器中的漂移主要是由硅中的離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此大部分漂移是在器件使用壽命的早期完成的，并且可以預(yù)期在長期內(nèi)漂移會(huì)趨于平穩(wěn)。ppm /√k人力資源單元模型這個(gè)時(shí)變衰減。晶體振蕩器偶爾指定以ppm/年為單位測量漂移。這種測量模擬了不同的漂移機(jī)制，衰減曲線也不相同。圖6顯示了五年期間各種漂移率的比較。

在計(jì)算預(yù)期漂移量時(shí)，重要的是要在計(jì)算中考慮整個(gè)時(shí)間，因?yàn)榕c時(shí)間的關(guān)系不是線性的。5年的漂移不是1年漂移的5倍。300ppm/√下5年漂移的樣例計(jì)算kHr如下:

5年·365.25天/年·24小時(shí)/天= 43,830小時(shí)= 43.830千瓦時(shí)

漂移計(jì)算假定部件在整個(gè)計(jì)算期間處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。導(dǎo)致漂移的離子運(yùn)動(dòng)通常是由操作部件中的電場輔助的，如果在整個(gè)漂移期間部件沒有通電，則漂移會(huì)大大降低。保守的計(jì)算將使用十分之一的漂移規(guī)格的時(shí)間，當(dāng)功率不施加到該部分。

切換DIV引腳

LTC6906上的DIV輸入引腳，在許多方面類似于其他LTC硅振蕩器上的DIV引腳，是一個(gè)三狀態(tài)輸入，能夠解析三種不同的狀態(tài):高，開和低。三態(tài)輸入引腳在低引腳數(shù)封裝中允許更大的功能，并且與許多微控制器的三態(tài)輸出兼容。靜態(tài)配置很容易通過將引腳綁到正電源或地，或使其浮動(dòng)來完成。

在OPEN狀態(tài)下，LTC6906的DIV引腳對(duì)PC板上常見的噪聲具有一定的抗擾性，但應(yīng)注意避免引腳上的長浮動(dòng)走線，或?qū)⒁_驅(qū)動(dòng)走線放置在具有強(qiáng)交流信號(hào)的線路旁邊。DIV引腳的抗噪性可以通過在地上添加一個(gè)電容或在DIV引腳附近放置一個(gè)高達(dá)100k歐姆的串聯(lián)電阻來輕松提高。

正常情況下，DIV引腳會(huì)以1μa左右的小電流將DIV引腳電壓拉到電源電壓的一半左右。因此，如果引腳保持打開狀態(tài)，引腳上的任何額外電容都會(huì)減慢其穩(wěn)定到open狀態(tài)。

使用DIV引腳實(shí)時(shí)切換頻率的應(yīng)用需要考慮到這一點(diǎn)，因?yàn)樗菫榈凸墓ぷ髟O(shè)計(jì)的，DIV引腳緩沖電路很慢，在DIV引腳激活和LTC6906輸出變化之間的延遲高達(dá)12μs左右。在應(yīng)用中必須考慮到這種開關(guān)延遲，或者可以用外部分頻器代替內(nèi)部分頻器，以減少頻率變化響應(yīng)時(shí)間。

操縱SET引腳

LTC6906可以配置在需要改變SET電阻以在不同頻率下工作的應(yīng)用中。當(dāng)改變SET電阻時(shí)，將開關(guān)機(jī)構(gòu)置于設(shè)置電阻和GND之間，而不是設(shè)置電阻和SET引腳之間，可以獲得最佳性能和精度(見圖7)。SET引腳對(duì)外部電容或信號(hào)的干擾很敏感，通過SET電阻進(jìn)行隔離可以降低這種靈敏度。

LTC6906并不理想地適合通過SET引腳進(jìn)行電流調(diào)制，因?yàn)闉榱斯?jié)省功率，SET引腳上的電壓不會(huì)隨溫度或負(fù)載調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致頻率的調(diào)制是設(shè)置引腳電壓和設(shè)置引腳電流的函數(shù)。頻率仍然可以通過SET引腳調(diào)制，但調(diào)制電流或電壓與輸出頻率之間的關(guān)系不是很準(zhǔn)確，因?yàn)樗Q于定義不清的SET引腳電壓。

圖8中的電路顯示了一種調(diào)制方法，其結(jié)果是低抖動(dòng)和穩(wěn)定的性能。通過電阻調(diào)制SET引腳電流，減小了寄生電容對(duì)初始頻率精度的影響。

結(jié)論

LTC6906是一個(gè)微功率振蕩器，精度為0.65%，抖動(dòng)非常低。其體積小，配置簡單，功耗極低，是驅(qū)動(dòng)微控制器，fpga的低功耗應(yīng)用的理想選擇，并為電池供電設(shè)備提供時(shí)鐘參考。