超低功耗實時時鐘晶體振蕩器設計.pdf

1、超低功耗片上系統(tǒng)（如無線傳感器節(jié)點）被廣泛應用于生物醫(yī)學和環(huán)境監(jiān)測等領域。然而，由于電池存儲容量有限，功耗成為影響系統(tǒng)設計的關鍵因素。為了節(jié)約能源，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常具有短暫的活動，隨后是長時間的空閑模式。降低空閑模式的功耗可以有效提高系統(tǒng)的待機時間，而時鐘源通常是空閑模式唯一的功能電路，用于“喚醒”和同步系統(tǒng)。在眾多被作為時鐘源的振蕩器中，石英晶體振蕩器以其極高的頻率穩(wěn)定性被廣泛應用，低功耗成為設計的首要出發(fā)點。
　　本文設

2、計的超低功耗晶體振蕩器采用多電壓域和脈沖驅動的方法。首先，將傳統(tǒng)晶振電路中的反相放大器分解成前置放大級和驅動級。工作在高電壓域的前置放大級輸出避免了驅動級電路工作在亞閾值區(qū)并且保證了電路穩(wěn)定振蕩所需的低導通電阻，而驅動級電路工作在低電域中使得晶振的振幅很低，那么用來補償晶體每個周期穩(wěn)定振蕩所需的能量也降低了。接著為了進一步降低功耗，前置放大級由基于施密特觸發(fā)器的脈沖產(chǎn)生電路構成，使用施密特觸發(fā)器的延遲穩(wěn)定性來確定脈沖的位置，并利用反相器

3、延遲鏈確定脈沖的寬度，最終的脈沖信號由自舉電路升壓輸出到驅動電路。最后，為了提高電源的效率，電路中所需的不同電源由開關電容網(wǎng)絡產(chǎn)生。
　　本文基于TSMC0.18μm CMOS工藝，完成了超低功耗的晶體振蕩器電路的設計，版圖面積為0.08mm2。仿真結果表明，電路工作的溫度范圍為-20℃-80℃。在TT工藝角下、電源電壓為0.6V、常溫時電路的最低功耗為11.44nW。電路工作電壓范圍為0.6V-0.74V，電壓穩(wěn)定性為71.4p