Oszillator für IoT-Funksensorknoten

Effizienter Schnellstart

22. September 2017, 14:00 Uhr | Ralf Higgelke

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Last dynamisch verändern

Daher ist beim Einschwingen des Quarz­oszillators ein kleinerer Lastkondensator sowohl für ein schnelles Einschwingen als auch für eine niedrige Leistungsaufnahme erwünscht. Im stationären Zustand führt ein kleines CL wiederum zu einem schlechteren Frequenzziehfaktor (Frequency Pulling Factor, ist also proportional zu Cm / (Cp + 2 ∙ CL)) [5]. Dadurch wird die Frequenz des Quarzoszillators instabil und kann sich bei Variationen der Umgebungsbedingungen unvorhersehbar verändern. In dieser Arbeit wird ein Quarzoszillator mit einer dynamisch eingestellten Last (Dynamically Adjusted Load, DAL) vorgeschlagen, wodurch der Lastkondensator für ein schnelles Einschwingen zunächst minimiert und anschließend im stationären Zustand erhöht wird, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Dieses Verfahren ist relativ unempfindlich gegenüber dem Wert von CL im Vergleich zu anderen Techniken [4], wodurch ein größerer Lastkondensator verwendet werden kann, um die Toleranz gegenüber sich verändernden Streueinflüssen zu verbessern. Darüber hinaus müssen alle in [2-4] vorgeschlagenen Techniken eine im Vorfeld laufende Kontrollsequenz für die Injektion abarbeiten, bevor ein Takt vom Quarzoszillator verfügbar ist. Dies ist von Natur aus schwierig, weil der Quarzoszillator in der Regel der einzige Megahertz-Takt ist, um das SoC des Funksensorknotens zu steuern.

Der 32 kHz schnelle Sleep-Timer hat mit etwa 32 µs eine für den Anlaufregler des Quarzoszillators zu lange Periodendauer. Um dies zu überwinden, ist daneben noch ein zusätzlicher Oszillator nötig, was sich sowohl hinsichtlich der Chipfläche als auch der Leistungsaufnahme negativ auswirkt. Stattdessen braucht die in dieser Arbeit vorgeschlagene DAL-Technik keine im Vorfeld laufende Kontrollsequenz, es genügt, den Takt des Quarzoszillators zur Steuerung wiederzuverwenden, sobald dieser verfügbar ist.

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Bild 3: Blockschaltbild des schnell anlaufenden Quarzoszillators mit der vorgeschlagenen DAL-Schaltung sowie das Einschwingen im Zeitbereich.
© Bilder: Ming Ding/i

Auf diese Weise kann die vorgeschlagene DAL-Technik ohne externen Interrupt automatisch arbeiten. Die Einschwingzeit sinkt um mehr als das 13-Fache, wobei die Startenergie 3,3 nJ und benötigte Chipfläche 0,0073 mm² betragen. 

Aufbau der Schaltung 

Bild 3 zeigt das Blockschaltbild des schnell anlaufenden Quarzoszillators mit der vorgeschlagenen DAL-Schaltung sowie das Einschwingen im Zeitbereich. Kern der Schaltung ist ein Pierce-Oszillator mit einem NMOS-Transistor als negative Steilheit gm und C1 und C2 als Lastkondensator (2x CL). Die Schaltung arbeitet wie folgt: C1 und C2 werden auf das Minimum reduziert, um ein schnelles Einschwingen zu erleichtern und RN zu erhöhen. Daher steigt die Amplitude des Quarzoszillators schnell an. Ein Taktdetektor (Clock Detector, blau umrandete Schaltung) entscheidet, ob die Ausgangsschwingung des Quarzoszillators ausreicht, um einen Takt für die digitale Schaltung bereitzustellen. Ist dies der Fall, erhöht ein endlicher Automat (Finite State Machine, FSM) automatisch C1 und C2 auf den Zielwert. 

Der Taktdetektor umfasst zwei Teile: einerseits einen Hüllkurvendetektor (Envelope Detector) mit einen Komparator, der die Amplitude des Quarzoszillators erfasst, und andererseits sorgt eine digitale Takt­erkennungsschaltung (Digital Detector) dafür, dass die Taktqualität für die digitale Steuerung ausreicht. Der endliche Automat läuft auf 6 MHz (geteilt durch 4) und erzeugt den 6 Bit breiten Tuning-Code DT für die Lastkondensatorbank. Diese Kondensatorbank ist thermometercodiert, um eventuelle Taktfehler durch einen Binärcode zu vermeiden. Beim Einschwingen weicht die Frequenz des Quarzoszillators durch das Hochziehen ab, stabilisiert sich aber automatisch, sobald C1 und C2 ihre endgültigen Werte erreicht haben. Der gesamte Einschwingvorgang ist völlig auto­nom und benötigt nur ein Enable-Signal.

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Bild 4: Amplituden- (links) und Frequenzverhalten (rechts) der Ausgangs­pins CLK_OUT während des Einschwingens.
© Bilder: Ming Ding/i

Die DAL-Schaltung ist zur Implementierung von digital gesteuerten Quarz­oszillatoren (DCXOs) kompatibel, und die Abstimmgenauigkeit im vorliegenden Fall liegt bei unter 7 ppm, ausreichend für viele IoT-Anwendungen (zum Beispiel BLE oder IEEE 802.15.4 (WLAN)). Basierend auf den Simulationsergebnissen wirkt sich die On-Chip-Kondensatorbank auf das Phasenrauschen des Quarzoszillators so gering aus, dass es vernachlässigt werden kann.

Der Chip wurde in einem 90-nm-LP-CMOS-Prozess implementiert. Der Kernbereich ist 0,072 mm² groß, wobei der Lastkondensator 84 % der Fläche verbraucht, die DAL-Schaltung etwa 10 %. Bei 1 V Versorgungsspannung nimmt der Chip im eingeschwungenen Zustand 95 μW auf, beim Einschwingen benötigt die DAL-Schaltung vorübergehend 9 μW zusätzlich. Bild 4 zeigt das gemessene Amplituden- (linker Teil) und Frequenzverhalten (rechter Teil) der Ausgangspins CLK_OUT während des Einschwingens. Die Einschwingzeit ist definiert als die Dauer, bis zu der sich die Oszillatorfrequenz der Zielfrequenz auf weniger als ±20 ppm angenähert hat. Dies liegt innerhalb der Anforderung vieler IoT-Standards, zum Beispiel BLE (±41 ppm) und IEEE 802.15.4 (±40 ppm). 


  1. Effizienter Schnellstart
  2. Last dynamisch verändern
  3. Zusammenfassung

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