MEMS-Oszillatoren für IoT- und Wearable-Applikationen

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Längere Batterielebensdauer dank besserer Frequenzstabilität

Viele mobile Geräte reduzieren den Stromverbrauch, wenn sie nicht benötigt werden, durch Abschalten der Funktionsblöcke mit dem höchsten Drain-Strom. Jedoch müssen diese Systeme aufgeweckt werden, um periodisch mit dem Netzwerk zu kommunizieren.

Die höhere Frequenzstabilität erlaubt es dem System, über einen längeren Zeitraum im Energiesparmodus bzw. Schlafzustand zu bleiben. Viele Wearables sammeln kontinuierlich Daten, komprimieren diese und laden Sie in die Cloud über ein Internet-Hub-Gerät wie beispielsweise ein Mobiltelefon. Dieser Upload erfolgt in kurzen Bursts innerhalb weniger Millisekunden, danach kehrt des Gerät in den Ruhezustand zurück.

Diese zyklischen Schlaf-Szenarien sind typisch für batteriebetriebene Geräte, bei denen sich der Gerätekern für eine voreingestellte Zeit (Ruhezeit), die in der Regel im Bereich von 2 bis 10 Sekunden liegt, im Ruhezustand befindet und daraus wieder aufgeweckt wird, wenn Daten in einem kurzen Burst zu übertragen sind. Der Verbindungunszeitraum "ON", in der bestimmte Funktionsblöcke des Gerätes aktiv sind, wird dabei so kurz wie möglich gehalten.

Der Stromverbrauch ist proportional zu dem Verhältnis von "ON"-Zeit zu der Zeit, in der sich das Gerät im "Sleep"-Zustand befindet. Die Genauigkeit des 32-kHz-Taktes, der die Taktung der Sleep Time steuert (SCA = sleep clock accuracy), hat einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie.

Ungenauigkeiten im Ruhetakt führen dazu, dass der Funkempfänger (RX) zu früh einschaltet wird und zu lange aktiv bleiben muss, um zu vermeiden, dass Sendepakete vom Sender oder Master verloren gehen.

Clock-Ungenauigkeit, gemessen in PPM, bewirkt einen frühzeitigen Einschaltzeitpunkt(∆T), wie in -> Bild 6. ∆T = (SCA) * (SLEEP TIME). Wie eine präzisere Slave-Taktgenauigkeit die „ON“-Zeit und damit den Energieverbrauch reduzieren kann, zeigt -> Bild 7.

Die SiT1552 MEMS-basierten TCXO mit weniger als 5 ppm Frequenzänderung über der Temperatur, bieten eine viel genauere Alternative als eine Quarzkristalllösung.

Diese Genauigkeit reduziert die „ON“-Zeit und erlaubt es dem System, länger im Ruhezustand zu bleiben. Mit Hilfe des SiT1552 können Systemdesigner die komprimierten Daten in kurzen Bursts übertragen, aber nur dann, wenn Bedarf besteht.

Ansonsten bleibt das Gerät über lange Zeit im stromsparenden Sleep Mode, die Batterielebensdauer verdoppeln kann. -> Bild 8 zeigt die erhöhte Batterielebensdauer durch Verwendung eines 5-ppm-32-kHz-TCXO im Vergleich zu einem 32-kHz-Quarzkristallresonator mit 180 ppm Toleranz im Temperaturbereich.

Längere Batterielebensdauer durch programmierbare Funktionen

Der rauscharme analoge Oszillator IC im SiT15xx unterstützt mehrere Funktionen, einschließlich einer Ultra-Low-Power präzisen PLL und stromsparende programmierbare Ausgangstreiber.

Die Fractional-N-PLL mit Sub-Hertz-Auflösung ist für die Gerätekalibrierung und Programmierung von Frequenzen von 32,768 kHz bis zu 1 Hz verwendbar. Eine Reduzierung der Ausgangsfrequenz geht einher mit einer signifikanter Reduzierung des Stromverbrauchs.

Quarze, aufgrund der physikalischen Größenbeschränkungen des Resonators bei tiefen Frequenzen, bieten Frequenzen unter 32,768 kHz nicht an. Die niedrigeren Frequenzoptionen der SiT15xx-Familie ermöglichen völlig neue Architekturmöglichkeiten in batteriebetriebenen Anwendungen, bei denen der Referenztakt stetig läuft.

Im Zusammenspiel mit der On-Chip 32-kHz-Oszillatorschaltung offerieren die SiT15xx-Bausteine eine programmierbare Ausgangstreiberfunktion. Der Ausgangstreiber kann verschiedene Gleichtaktspannungen erzeugen und so optimal an die gewünschten Bedingungen angepasst werden, wie -> Bild 9 zeigt.

Die Ausgangamplitude ist ab Werk programmierbar von voller Amplitude bis hin zu 200 mVpp für die niedrigste Energieaufnahme. Die Fähigkeit, Ausgangsfrequenz und -Treiberstrom zu reduzieren, reduziert signifikant den Ausgangslaststrom.

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