Low-power crystal and MEMS oscillators: The experience of watch developments

نوسانگرهای الکترونیکی که از یک دستگاه الکترومکانیکی به عنوان مرجع فرکانس استفاده می‌کنند، اجزای غیرقابل جایگزینی سیستم‌های روی تراشه برای زمان‌گیری، تولید فرکانس حامل و تولید ساعت دیجیتال هستند. رزوناتورهای کریستال کوارتز با ثبات فرکانس عالی و فاکتور کیفیت بسیار بزرگ Q بیش از 70 سال راه حل غالب بوده اند. اما اکنون امکانات جدیدی توسط تشدیدگرهای میکرو الکترومکانیکی (MEM) ارائه می‌شود که دارای مدار الکتریکی معادل کیفی یکسانی هستند. تجزیه و تحلیل و طراحی مهم ترین طرح های مدارهای نوسان ساز یکپارچه. توضیح می‌دهد که چگونه می‌توان این مدارها را با بهترین بهره‌برداری از Q بسیار بالای تشدیدکننده برای دستیابی به حداقل توان مصرفی سازگار با الزامات پایداری فرکانس و نویز فاز، بهینه کرد. نویسنده 40 سال تجربه در طراحی نوسانگرهای کوارتز بسیار کم و با کارایی بالا برای ساعت ها و سایر سیستم های باتری دار دارد و بیشتر مواد را در این دوره جمع آوری کرده است. برخی از مواد اصلی اضافی مربوط به نویز فاز اضافه شده است. توضیحات عمدتاً توسط پیشرفت‌های تحلیلی پشتیبانی می‌شوند، در حالی که شبیه‌سازی کامپیوتری به مثال‌های عددی محدود می‌شود. بخش اصلی به مهم ترین مدار پیرس اختصاص داده شده است، با یک روش طراحی کامل که با نمونه هایی نشان داده شده است. مدارهای متقارن که برای سیستم‌های مخابراتی مدرن رایج شده‌اند در آخرین فصل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند.

Electronic oscillators using an electromechanical device as a frequency reference are irreplaceable components of systems-on-chip for time-keeping, carrier frequency generation and digital clock generation. With their excellent frequency stability and very large quality factor Q, quartz crystal resonators have been the dominant solution for more than 70 years. But new possibilities are now offered by micro-electro-mechanical (MEM) resonators, that have a qualitatively identical equivalent electrical circuit.

Low-Power Crystal and MEMS Oscillators concentrates on the analysis and design of the most important schemes of integrated oscillator circuits. It explains how these circuits can be optimized by best exploiting the very high Q of the resonator to achieve the minimum power consumption compatible with the requirements on frequency stability and phase noise. The author has 40 years of experience in designing very low-power, high-performance quartz oscillators for watches and other battery operated systems and has accumulated most of the material during this period. Some additional original material related to phase noise has been added. The explanations are mainly supported by analytical developments, whereas computer simulation is limited to numerical examples. The main part is dedicated to the most important Pierce circuit, with a full design procedure illustrated by examples. Symmetrical circuits that became popular for modern telecommunication systems are analyzed in a last chapter.