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高精度实时时钟的温度补偿电路设计

周鹏  
【摘要】:高精度实时时钟(Real-Time Clock,RTC)在物联网、无线传感器、智能仪表等领域有着重要应用。RTC使用32.768kHz的晶体振荡器(简称晶振)作为频率源。在工业标准温度范围内(-40-85℃),32.768kHz晶体的谐振频率存在±100-±200ppm的偏移。针对这一问题,本文研究设计了一种温度补偿电路。本文设计的温度补偿电路包括温度传感器和数字补偿电路两部分。温度传感器使用温度系数大的N阱电阻作为感温元件,通过RC振荡器把模拟量转换成频率信号,再用计数器把频率信号转换成数字量。为了提高温度传感器的精度,使用低温漂的线性稳压器给RC振荡器供电,另外,RC振荡器中采用高增益的自偏置运放,以降低失调电压的影响。数字补偿电路根据温度传感器的输出计算晶振的频率偏移并进行校准。校准频率的方式有绝对偏差补偿和相对偏差补偿,本文在补偿精度、分辨率、抖动等方面对这两种方式进行了对比。绝对偏差补偿精度、分辨率比较高,但存在抖动大的问题。针对绝对偏差补偿的方式,本设计使用温度传感器中的高频率RC振荡器对秒计时信号实现高精度、低抖动的补偿。由于数字补偿电路工作主频低,导致漏电功耗比重大,本文使用高阈值电压的MOS管定制了数字补偿电路中用到的DFF、INV、NOR2、NAND2等单元,有效降低了漏电功耗。本文在GF180nm工艺下完成了温度补偿电路的设计与仿真,电路总面积为0.28mm2。仿真结果表明,温度传感器的工作电压范围为1.5-3.6V,工作电流为19μA(1.8V),1ms的转换速度下分辨率为28mK,经过三点校准后,温度传感器精度为±0.6℃,基于此温度传感器的温度补偿电路的计时精度为±2ppm。


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