科学研究 - 水晶振荡电路高速启动，大幅削减IoT设备耗电量

日本高能加速器研究机构基本粒子原子核研究所副教授宫原正也与东京工业大学工学院电气电子系副教授冈田健一等人的研发小组，共同开发出了同时实现高速启动和低耗电的水晶振荡电路。

水晶振荡电路利用最小线宽为65nm的硅CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺试制。作为可以重新构成振荡电路放大器的多级放大器，以26M及40MHz的频率进行振荡确认，40MHz振荡时以64μs的速度高速启动。这个启动时间还不到以往报告的相同振荡频率水晶振荡电路的一半。将水晶振荡电路作为无线通信设备和系统时钟等的信号使用时，不工作时为了节能会关闭各个电路的电源运行。以往的水晶振荡电路从打开电源到振荡变得稳定需要几毫秒的时间，会浪费多余的电力，而此次开发的水晶振荡电路通过缩短启动时间，可大幅削减启动所需的能耗。

(a)以往的水晶振荡电路启动示意图

(b)此次的水晶振荡电路启动示意图

图1：以往的水晶振荡电路存在的课题

相关论文被采纳为2018年6月18日至22日在美国夏威夷火奴鲁鲁举行的“2018 Symposiumon VLSI Circuits”的发表论文，已于当地时间6月17日下午7时公开。

研究内容和成果

众所周知，水晶振荡电路是物联网（IoT）设备不可或缺的零部件，预计在不久的将来，IoT设备的节点数在全球将超过1万亿个，能降低其工作电力的开发成果估计会对社会产生巨大的影响。

以往的水晶振荡电路存在的课题如图1（a）所示，从打开电源到振荡变得稳定，需要几毫秒的启动时间，这期间会浪费多余的电力。此次的研究如图1（b）所示，开发出了能高速启动水晶振荡电路，并削减启动所需电力的机制。从图2(a)可以看出，以往的水晶振荡电路由水晶振荡器和振荡电路构成。图2(b)是各部分的电气等效电路，为了开始振荡，振荡电路需要产生负阻(RN)，以消除水晶振荡器的电阻(RX)。另外，已知RN的绝对值与RX相比越大，越能缩短启动时间。

（a）水晶振荡电路的结构 (b)水晶振荡电路的等效电路

图2：以往的水晶振荡电路的结构和等效电路

不过，提高水晶振荡电路的启动时间存在以下两个课题。

1.要想扩大RN的绝对值，必须增加耗电量。2.受水晶振荡器的寄生电容的影响等，可实现的RN绝对值理论上存在极限。针对1.的课题，在本次开发中采用三级级联放大器的结构，详情见图3(a)。通过利用第一级和第二级放大器获得100倍左右的电压增益，仅需很少的耗电量就能产生很大的负阻。

但光凭这种结构还无法解决2.的课题，因此如图3(b)所示，追加了电容前馈路径，设法超越了之前的理论极限值。由此如图4所示，各个电路的负阻与以前的结构相比可以获得100倍以上的值。最终的电路结构参见图5，为了仅在水晶振荡电路开始启动后的一定期间增大负阻，加速启动，而在稳定振荡时尽量减小耗电量，采用可以在三级连接放大器和一级连接放大器两种方式之间进行切换的结构。

图3：此次开发的振荡电路的放大器结构

图4：各振荡电路的负阻比较

图5：此次开发的水晶振荡电路的工作顺序

针对以上结构，研究人员利用最小线宽为65nm的CMOS工艺进行了试制。图6是芯片照片。实现了58μm(微米)×91μm的小面积。图7是以40MHz频率振荡时采用该方法和不采用该方法时的水晶振荡电路启动时间测量结果。采用该方法，可以将启动时间加速18倍，仅需64μs。图8是与其他研究机构的水晶振荡电路高速化方法的性能比较。标示了采用各方法之前和之后的启动时间之比(采用对应方法前/采用对应方法后)，以及启动所需能耗之比(采用对应方法前/采用对应方法后)，可以说，值越大表示该方法的削减效果越高。尤其是以26MHz频率振荡时，启动时间削减效果高达30倍(启动时间降至1/30以下)，与以往的方法相比，获得了2倍以上的效果。另外，能耗的削减效果也比较高，经确认，采用该方法可将能耗降至1/9。