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作者：Philex Fan 翻譯：Khorina
原文：物聯網應用基于Arm微控制器的低功耗定時關機計時器

由于物聯網傳感器節點的尺寸形式非常小，他們的計算平臺有嚴格的能源約束。為了節省能源，占空比有助于降低傳感器節點的功耗，但這需要一個超低功耗計時器來實現可靠的定時關機和喚醒功能。

振蕩電路是實現計時的基礎。而基于晶體，微機電系統或電感電容諧振的振蕩器需要被設計成片外的組件，或需要額外的制造成本。這使電阻電容振蕩器（RCO）成為更好的選擇，因為它們更容易被集成到這類超低功耗系統中。

顯然，RCO產生的頻率質量會直接影響計時器的精度。為了能夠在環境變化和噪聲方面保持良好的頻率穩定性，常見RCO的基本電路如下圖所示。通常對于像是電阻電容電路的基本電路模塊，電壓基準和比較器會消耗大量的電源供電。因此，需要在功耗和總體的頻率精度間做出權衡。

1974年，在仙童半導體（Fairchild Semiconductor）應用筆記118中，相移RCO被重新定義了。而且，2014年德州儀器（Texas Instruments）改進并發布的一種振蕩器放寬了對振蕩頻率穩定性的要求，可以節省82.6%的功耗如圖2所示。

下圖中關于功耗降低技術（階段一）的基本思想是管理RCO的亞閾值工作區。它用到了更低的電源電壓（VDD LOCAL）以及電阻縮放比例。這可以使RC電壓擺幅得到大幅度的調整，并可以大幅度降低功耗。在這個電路中，與現有技術改善的基準設計相比，它的歸一化有功功率可以被降低至0.23倍。其中，提出的偏置電流生成器對于實施亞閾值區域工作至關重要。

另一種功耗降低技術（階段二）可以將功率降低至0.18倍。其中，開關電容網絡（SCN）減少了從VDD(原始電源電壓)到VDDLOCAL(用來偏置相移RCO的更低的電源電壓)的壓降電壓損耗。電平轉換器用來克服電壓差。與前面的功耗降低技術（階段一）相結合，可以將功率總共降低約5倍。盡管這是在不考慮SCN和電平轉換器的功耗的情況下實現的。

然而，上述功耗降低技術（階段一，階段二）導致了溫度靈敏度的降低（仿真中達到了353ppm/℃）。換句話說，相移RCO的振蕩頻率對溫度變化的穩定性降低了。這是由于亞閾值工作區中的高導通阻值所致，其中溫度依賴性極大地影響了振蕩時鐘周期。而正向基底偏置技術（階段三）在仿真中將溫度靈敏度提高到了79ppm/℃。這證明了降低RCO期間的閾值電壓和導通阻值的有效性，因此器件由于溫度產生的變化變得可以控制。

在本博客中，我介紹了片上振蕩器的功耗降低技術，而微控制器的關斷功耗將主要由片上振蕩器貢獻。現在這些技術已實現了5倍的能源效率提高，可顯著提高物聯網設備的使用壽命。并且，增加此類設備的實用性，延長電池供電的物聯網傳感器的壽命是環保微電子技術發展中的重要考慮因素。當我們走向一個包含一萬億個物聯網設備的世界時，即使單個節點中的少量電量節約也會對整體能耗產生巨大影響，更不用說這些技術節省了82.6％的能源消耗。

全文直達鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8877952

總結

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