时钟功能在节能与绿色应用中的体现，很少有话题比绿色技术更热门。一些最常见的绿色应用包括能量收集、风能和太阳能发电以及 LED 照明。所有这些技术要么节能，要么发电，它们能够营造更清洁、更可持续的全球环境。在组件层面，有很多令人兴奋的发展。例如，微处理器持续采用功耗越来越低的工艺技术来设计，电源在所有负载条件下现在都能达到 90%以上的效率。还有一些不太为人所知的技术成就有助于改善绿色应用并实现节能。本文重点关注计时技术以及影响功耗和绿色应用的时钟功能。 产生影响的新技术 在绿色科技领域有许多新技术正在产生影响，其中一些技术基于向更新的硅基方法的转变。例如，为了满足不断增长的服务器存储农场需求而出现的最显著的节能趋势之一，是采用固态驱动器（SSD）来替代传统的硬盘驱动器（HDD）。微机电系统（MEMS）是另一个新型硅基技术的例子，为绿色应用及其他方面带来了突破性的效益。

石英晶体定时装置传统上一直被用作电子系统中的参考时钟，但硅 MEMS 定时解决方案正迅速被采用，因为这项新技术具有众多优势。除了供应链方面的好处，如成本更低和交货期极短之外，MEMS 定时解决方案还在性能和功能方面有所改进，包括精度更高、尺寸更小和功耗更低。就功耗而言，参考时钟可以具备为低功耗优化的特性，包括以下几点：

• 低电源电流 

• 具有快速启动（恢复）时间的微功率待机模式 

• 低电压运行，包括可编程输出以减小电压摆幅。

图 1：被改进的硅基技术所取代的传统技术示例

功耗、性能及其他参考时钟的权衡 

许多微控制器（MCU）针对一般计算需求指定了石英晶体（XTAL）。然而，XTAL 并不总是能满足设计要求。例如，当时钟精度（频率稳定性）需要稳定时，时钟振荡器（XO）是最佳选择。或者如果元件布局使得使用 XTAL 有困难，具有逻辑兼容输出的 XO 则是理想的解决方案。SiTime 的 SiT15xx 32kHz 振荡器系列是 XTAL 的极佳替代品，提供了若干优势，包括功耗和尺寸的改进。在设计系统时，必须考虑系统中所有组件的功耗。由于处理器是任何系统的核心，在功耗预算中具有优先级，通常不会为支持模块和其他组件（包括参考时钟）留下太多功耗。在设计系统时钟源时，有三种主要的参考时钟类型（XTAL、振荡器和时钟发生器）可供选择，以及两种主要技术（石英和 MEMS），如下表 1 所示。

表 1：参考时钟源的类型及其相对特征

基本的石英晶振（XTAL）功耗低，常用于基本时钟生成。新的 MEMS 振荡器解决方案，如 SiTime 的 SiT15xx 1 Hz至 32 KHz系列，提供了一种替代石英晶振的方案，其功耗比石英晶振低 50%。与传统的晶振相比，这些 MEMS 晶体振荡器还有其他几个优点，包括体积小（占地面积减少高达 85%）以及更好的频率稳定性、老化特性、可靠性和抗冲击及抗振动能力。

用 MEMS 振荡器取代石英晶振以降低功耗 

一些 MEMS 振荡器具有超低功耗输出，仅消耗纳安级电流。此外，大多数 MEMS 振荡器都采用了可编程架构，可以实现额外的节能。例如，SiT15xx 振荡器系列具有以下独特的节能特性： 

• 核心电源电流为 750 nA（典型值）的最低功耗 32KHz振荡器

• 低至 1.2V 的工作电压

• 可编程频率低至 1 Hz

• NanoDrive™可编程输出以降低电压摆幅 

基于 MEMS 的振荡器提供了一些石英晶振所没有的可编程特性。基本的可编程特性包括频率、电压和稳定性。例如，SiT15xx 系列在 1 赫兹至 32.768 千赫兹之间具有以 2 的幂为单位的可编程频率范围。显著降低频率可大幅降低输出负载电流（C*V*F）。将输出频率从 32.768 KHz降低到 1 Hz，负载电流减少 99%以上。低频率振荡器非常适用于始终运行低频参考时钟的应用。相比之下，由于石英晶振在低频时谐振器的物理尺寸限制，无法提供低于 32.768 KHz的频率。

SiT15xx 系列的另一个可编程特性是 NanoDrive，一种独特的可编程输出摆幅（见图 2）。通过 NanoDrive，输出摆幅可以从全摆幅编程至 200mV，以匹配 SoC/MCU 的下游振荡器输入。通过优化输出级，实现了显著的节能。

图 2：独特的 NanoDrive 输出摆幅可向下编程至 200 mV，以将功耗降至最低

用 MEMS 振荡器取代石英 XO 以降低功耗

对于 MHz 参考时钟应用，振荡器具有有助于保持低功耗的特殊功能：

• 低电源电流 

• 微功率待机模式 

• 快速恢复时间 

• 低至 1.8V 的工作电压

一个典型的低功率 MHz 振荡器，对于单端兼容 CMOS 的振荡器，功耗低于 5 毫安。例如，来自 SiTime 的低功率 SiT1602 和 SiT8008 兼容 CMOS 的振荡器，电流消耗为 3.4（典型值）。

差分振荡器由于其输出结构电流消耗更大。如果需要差分振荡器，但接收模块对差分逻辑的选择具有灵活性，LVDS 是功耗最低的。LVPECL 和 CML 逻辑消耗更多功率。LVPECL 输出限于 3.3V 和 5V 电源，而某些兼容 LVDS 的振荡器可以适应 2.5V 电源。

待机模式和快速恢复时间也有助于节省功率。然而，基本的振荡器除了低电源电流外，不包括节能功能。传统的振荡器包括一个 Vdd 引脚和一个可选的输出使能（OE）控制引脚。OE 功能不是节能功能。它只是在保持振荡器电路偏置的同时禁用输出级。因此，关闭振荡器的唯一方法是在 Vdd 输入和电源之间添加一个场效应管（FET）。但有些振荡器，如 SiTime 的振荡器，包括一个待机（ST）控制引脚，可将电源电流降低至微安级别，无需使用外部 FET 来控制 Vdd 电源。例如，SiT1602 和 SiT8008 振荡器在待机模式下的电源电流降低至 0.6 µA。 除了基本功耗外，某些应用只有在接收模块需要时钟源时才打开时钟参考。射频集成电路（RFIC）模块就是一个例子。在一个周期性需要与诸如网络或聚合点等另一点进行通信的系统中，RFIC 仅在收发活动期间开启。在这种情况下，时钟振荡器的开启时间非常重要。在振荡器上电周期完成之前，振荡器输出无效，这通常需要 5 到 10 毫秒。指定具有短启动时间的振荡器将有助于降低功耗。由于时钟源在上电后才有效，因此在等待振荡器完成上电周期以开始其通信过程时，系统正在消耗功率。 从待机（ST）状态操作振荡器将节省功率，其启动速度比传统的 Vdd 启动速度快约 2.5 倍。从待机状态启动称为恢复时间。例如，SiTime 振荡器的恢复时间为 4 到 5 毫秒。

电源电压是另一个重要的功耗考虑因素。如果有 1.8V 的电源电压可用，选择可以在 1.8V 下工作的兼容 CMOS 的振荡器，与更常见的 2.5V 振荡器选项相比，可以显著节省功率。将电源电压从 2.5V 降低到 1.8V 可以将功耗降低 25％。

低 EMI 输出选项，引脚兼容封装

对于注重功耗的便携式应用，例如笔记本电脑、平板电脑、电子阅读器和 WiFi 设备，通过使用特殊的时钟功能，通常可以满足 EMI 要求。许多设计从标准振荡器开始。随着工程原型的构建和 EMI 测试的进行，由于时钟的高频边沿使得它成为 EMI 的主要来源，因此振荡器会受到严格审查。当必须降低 EMI 时，设计人员会关注时钟。

凭借可编程架构，来自 SiTime 的 MEMS 振荡器可以轻松编程，通过使用扩频或调整输出边沿速率来降低 EMI，同时保持原始引脚排列。设计人员可以通过添加扩频或选择较慢的输出边沿速率来满足低 EMI 准则，而无需对现有设计进行任何更改。

MEMS振荡器提供更小的封装尺寸，并替代 XTAL 布局限制

许多绿色和低功耗应用具有小巧的外形，需要占用尽可能小封装尺寸的组件。XTAL 有非常严格的布局指南，并且必须放置在非常靠近 SoC 或 MCU 的 XTAL 输入的位置，如图 3 所示。由于振荡器具有标准的 CMOS 输出，它们对布局问题不太敏感，并且可以驱动长走线。因此，与 XTAL 相比，MEMS振荡器的布局具有更大的灵活性。

       图 3a：XTAL 组件布局                                     图 3b：硅 MEMS 组件布局

来自 SiTime 的振荡器采用芯片级封装（CSP），尺寸小至 1.5×0.8 mm，封装高度仅 0.55 mm，实现了更小的封装尺寸。如果使用 1508 CSP 的 MEMS 振荡器（无需电容）来替代常见 2.0×1.2 封装中的传统 XTAL 以及两个所需的电容，则总封装尺寸将减少 80％。考虑到 XO 在电路板设计中提供的灵活性，总电路板面积可能会进一步减少。

MEMS 振荡器消除频率限制

由于在石英晶振制造过程中产生新频率存在困难，石英晶体和振荡器被限制在特定的可用频率上。由于 SiTime 的 MEMS 振荡器是可编程的，从 1Hz 到 650MHz 的任何频率都可实现，精度高达六位小数。对于系统架构师来说，重要的是要了解这些频率选项，并在设计过程早期利用这种灵活性，以便为处理器优化选择最佳频率，并降低负载电流。

总结

所有基于晶体的解决方案，无论是 XTAL 还是振荡器，都存在工程师不得不接受和克服的固有局限性。然而，新的基于 MEMS振荡器提供了具有优越性能和灵活性的解决方案，解决了石英晶振的局限性。SiTime MEMS 定时解决方案具有以下特点：

• 节能特性，如低电压工作、快速启动和恢复时间以及可编程输出摆幅 • 1Hz 至 650MHz 之间的任意频率 • 包括扩频和输出边沿速率控制的低 EMI 输出选项

SiTime 的 MEMS 振荡器为低功耗和绿色应用提供了有价值的参考时钟解决方案。