Кварцевый генератор с ультранизким потреблением тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2012

Thomas Mathews, Texas Instruments

EDN

Для схем с батарейным питанием несложно сделать ультра малопотребляющий генератор на основе стандартного кварцевого резонатора 32.768 кГц, используемого в часах реального времени. Поскольку генератор должен работать постоянно, расходуемую им мощность надо снижать, насколько это возможно. Традиционные схемы генераторов на инверторах, например, на 74HC04, потребляют несколько миллиампер. Ток потребления схемы, изображенной на Рисунке 1 равен всего 5 мкА. В схеме используется компаратор LPV7215MF, выпускаемый компанией Texas Instruments в 5-выводном корпусе SOT-23. Собственный типовой рабочий ток компаратора равен 580 нА, а вся схема при питании напряжением 3.3 В потребляет 5 мкА.

Рисунок 1.	Традиционные схемы генераторов на инверторах потребляют несколько миллиампер. Ток потребления изображенной здесь схемы составляет всего 5 мкА.

Чтобы проверить утверждение относительно величины тока потребления, было изготовлено и протестировано множество экземпляров генератора. Наибольшая часть тока расходуется на неизбежный заряд и разряд емкости нагрузки. При исследовании схемы использовался стандартный 10-мегаомный осциллографический щуп с входной емкостью порядка 10 пФ. В Таблице 1 приведена оценка основных составляющих потребляемого тока.

Емкость нагрузки заряжается до напряжения 3.3 В через верхний транзистор выходного каскада компаратора LPV7215. Напомним, что заряд конденсатора равен

Q = C×V.

Этот заряд переносится в конденсатор в течение одной половины периода частоты 32.768 кГц, а во время второй половины конденсатор разряжается на землю. В результате, ток выходного каскада будет равен

I = f×Q = f×C×V.

При емкости нагрузки 20 пФ (10 пФ емкость пробника плюс паразитная емкость печатной платы)

I = (32.768 кГц)×(20 пФ)×(3.3 В) = 2.163 мкА.

Из формулы можно увидеть, что ток растет с увеличением емкости нагрузки или рабочей частоты. Следовательно, единственное, за счет чего можно снижать общий ток потребления – уменьшение нагрузочной емкости. На Рисунке 2 показано фото макета кварцевого генератора.

Рисунок 2.	Тестовая плата для исследования кварцевого генератора основана на компараторе LPV7215MF компании Texas Instruments.

Типичная щелочная батарейка LR44 (Рисунок 3) имеет емкость 150 мА·ч. При токе потребления 5 мкА описанная схема сможет проработать примерно 30,000 часов, или 3.4 года.

Рисунок 3.	Типичная щелочная часовая батарейка LR44 имеет емкость 150 мА·ч.

Таблица 1. Оценка основных составляющих общего тока, потребляемого генератором