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超低功耗实时时钟晶体振荡器设计

汪刚  
【摘要】:超低功耗片上系统(如无线传感器节点)被广泛应用于生物医学和环境监测等领域。然而,由于电池存储容量有限,功耗成为影响系统设计的关键因素。为了节约能源,无线传感器网络节点通常具有短暂的活动,随后是长时间的空闲模式。降低空闲模式的功耗可以有效提高系统的待机时间,而时钟源通常是空闲模式唯一的功能电路,用于“唤醒”和同步系统。在众多被作为时钟源的振荡器中,石英晶体振荡器以其极高的频率稳定性被广泛应用,低功耗成为设计的首要出发点。本文设计的超低功耗晶体振荡器采用多电压域和脉冲驱动的方法。首先,将传统晶振电路中的反相放大器分解成前置放大级和驱动级。工作在高电压域的前置放大级输出避免了驱动级电路工作在亚阈值区并且保证了电路稳定振荡所需的低导通电阻,而驱动级电路工作在低电域中使得晶振的振幅很低,那么用来补偿晶体每个周期稳定振荡所需的能量也降低了。接着为了进一步降低功耗,前置放大级由基于施密特触发器的脉冲产生电路构成,使用施密特触发器的延迟稳定性来确定脉冲的位置,并利用反相器延迟链确定脉冲的宽度,最终的脉冲信号由自举电路升压输出到驱动电路。最后,为了提高电源的效率,电路中所需的不同电源由开关电容网络产生。本文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,完成了超低功耗的晶体振荡器电路的设计,版图面积为0.08mm2。仿真结果表明,电路工作的温度范围为-20℃-80℃。在TT工艺角下、电源电压为0.6V、常温时电路的最低功耗为11.44nW。电路工作电压范围为0.6V-0.74V,电压稳定性为71.4ppm/V。


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