Oszillator für IoT-Funksensorknoten

Effizienter Schnellstart

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

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Zusammenfassung

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Bild 5: Die Einschwingzeit des Quarzoszillators ist relativ stabil gegenüber Schwankungen von Temperatur (26,6 %), Versorgungsspannung (66 %) und Lastkondensator (3 %).
© Bilder: Ming Ding/i

Ohne Start-up-Technik benötigt der Oszillator 2,66 ms zum Einschwingen. Mit der DAL-Technik ist die Frequenz innerhalb von 375 μs stabil – eine Verkürzung der Einschwingzeit tS um den Faktor 7. Erhöht man die Leistung beim Einschwingen vorübergehend leicht auf 146 μW, ist die Frequenz nach 200 μs stabil – eine Verringerung um den Faktor 13,3. Es gilt zu beachten, dass in diesem Fall die Amplitude etwa 50 % eher stabil ist als die Frequenz. Während dieser Zeit sind die Taktsignale für digitale Basisband- und Controllerschaltungen vor dem Senden des ersten Datenpakets ausreichend stabil, sodass sich die aufgenommene Gesamtenergie des Funksensorknotens weiter reduziert. Darüber hinaus ist die Einschwingzeit relativ stabil gegenüber Schwankungen von Temperatur (26,6 %), Versorgungsspannung (66 %) und Lastkondensator (3 %) (Bild 5). Da sich die absolute Einschwingzeit bzw. -energie durch den Gütefaktor des Quarzkristalls und dessen Frequenz beeinflussen lassen, lassen sich die verschiedenen Anlauftechniken nach zwei Aspekten vergleichen: zum einen wie stark sie die Einschwingzeit bzw. -energie verkleinern, zum anderen wie groß der Mehraufwand durch die Anlaufschaltung ist. 

Diese Arbeit erreicht unter den bisherigen Arbeiten das höchste Reduktionsverhältnis bezüglich Einschwingzeit (13,3×) und Anlaufenergie (6,9×). Darüber hinaus ist der Mehraufwand der DAL-Schaltkreise bezüglich Chipfläche (0,0073 mm²) und Energie (3,3 nJ) vernachlässigbar, da kein zusätzlicher Injektionsoszillator nötig ist. Noch wichtiger aber ist, dass die Schaltkreise alle vollständig autonom mit nur einem En­able-Signal arbeiten, wodurch ein zusätzlicher kalibrierter höherfrequenter Oszillator oder eine im Vorfeld laufende Kontrollsequenz unnötig sind, was die Komplexität des Systems signifikant reduziert.(rh)

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Referenzen: 

[1] Y.-H. Liu, et al., »A 3.7mW-RX 4.4 mW-TX Fully Integrated Bluetooth Low-Energy/IEEE802.15.4/proprietary SoC with an ADPLL-based Fast Frequency Offset Compensation in 40nm CMOS«, ISSCC, pp. 236-237, Feb. 2015.

[2] Y. I. Kwon, et al., »An Ultra Low-Power CMOS Transceiver Using Various Low-Power Techniques for LR-WPAN Applications«, IEEE TCAS-I, vol. 59, pp. 324-336, Feb. 2012.

[3] D. Griffith, et al., »A 24MHz Crystal Oscillator with Robust Fast Start-Up Using Dithered Injection«, ISSCC, pp. 104-105, Feb. 2016.

[4] S. Iguchi, et al., »92% Start-up Time Reduction by Variation-Tolerant Chirp Injection (CI) and Negative Resistance Booster (NRB) in 39 MHz Crystal Oscillator«, IEEE Symp. VLSI Circuits, pp. 236-237, Feb. 2014.

[5] E. A. Vittoz, et al., »High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application«, IEEE JSSC, vol. 23, no. 3, pp. 774-783, June 1988.

[6] Y. Chang, et al., »A Differential Digitally Controlled Crystal Oscillator With a 14-Bit Tuning Resolution and Sine Wave Outputs for Cellular Applications«, IEEE JSSC, pp. 421-434, 2012.


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