在尺寸减小方面32.768K紧凑型谐振器振荡器将面临挑战

32.768K晶振是智能产品中常见引用的时钟晶振,封装尺寸有插件式和贴片式,2*6mm,3*8mm圆柱晶振,2.0*1.2mm,3.2*1.5mm,7.0*1.5mm,1.6*1.0mm,2.0*1.6mm,2.5*2.0mm,3.2*2.5mm,这些是比较常用的音叉式石英晶振,随着市场的发展需求可能还需要再减小元器件的体积,移动时间保持应用需要小尺寸,紧凑的频率稳定性和微功耗32.768kHz时钟晶振,本文介绍了一种基于MEMS的32kHz谐振器和振荡器在尺寸减小方面面临挑战.

基于MEMS的振荡器可以实现严格的精度高频工作,功率不适合移动应用,最近的振荡器如图所示提供最小的尺寸有1.55×0.85平方毫米,具有最佳频率稳定性,100ppm（XO）和3ppm(TCXO)工业温度范围为-40至85°C,供电电流是XO和TCXO分别为0.9和1.0μA,电源电压范围为1.5至1.53.6V,在XO模式中,小数N分频合成器补偿频率由于二阶数字的工艺变化导致的不准确性调制器(DSM),在TCXO模式下,温度-数字转换器(TDC)和三阶多项式另外补偿频率变化温度.

自动增益控制(AGC)在启动时和PVT变化时调整此逆变器的gm,一系列的驱动器调整电容器(CDrive)以补偿生产中的Rm变化,该MEMS维持电路和CP的总电流消耗为240nA,下图中显示了PLL和温度补偿晶振的框图路径,DSM将MEMS频率分频至32kHz受控预分频器,PLL带宽设置为1kHz以最小化噪声预分频器和VCO的贡献,VCO是电流控制的环形振荡器,标称频率为262kHz,目前的消费量PLL,包括DSM,为290nA.

在时钟晶振低功耗模式下,如上图所示,可以禁用PLL和输出来自DSM控制的预分频器,这引入了额外的输出抖动,但在计数脉冲的应用中没有损害,例如32,768脉冲定义一秒,这种低功耗XO模式(LPM)减少了芯片对于1Hz轨到轨输出时钟,电流为0.6μA,无外部负载,使用电荷泵(CP)对谐振器进行偏置这是1.2V稳压电源的三倍,皮尔斯维持电路保持振荡使用亚阈值逆变器.

图2所示的TDC采用基于BJT的温度传感要素,这产生PTAT电压ΔVBE=BE2-VBE1,使用两个相等的电压大小的BJT以不同的电流I2和I1偏置,比率为ρ,二阶ΔΣ调制器提供平均值成比例的数字比特流至(α.ΔVBE)/VBG,其中VBG=VBE1+α.ΔVBE,选择α和ρ来创建a与温度无关的VBG,为了提高石英晶体谐振器其准确性和稳健性,TDC采用BJT电流源中的动态元件匹配,相关第一个积分器中的双采样,以及系统级的斩波.

数字调节器采用副本偏置来保证时序收敛过程和温度,复制结构由a组成NMOS和PMOS的串联堆栈,与标准中使用的栅极相匹配细胞,在该串联堆栈中驱动恒定电流会使32.768K有源晶振产生电压在数字门中产生恒定的转换速率,从而产生速度,电阻器将输出电压余量添加到该复制结构,VDDdig是使用开环单位增益缓冲器生成,确保所有负载的稳定性条件,TDC采样频率为262kHz,采样过采样比率为192.每次转换需要6ms,电流消耗为4.5μA.