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应用于低功耗实时时钟的高精度温度补偿电路设计

樊柯延  
【摘要】:实时时钟提供精确时间基准,在移动通信、物联网、智能电表等领域有着重要应用。实时时钟的频率源为32.768kHz音叉石英晶体,其振荡频率在工业标准温度范围内(-40℃-85℃)会产生±150ppm的时钟偏差。在移动通信领域两个节点进行通信时,通信设备的时钟精度过低会导致接收端丢失信息或者重读信息,严重影响通信设备的性能和功耗。根据我国通信行业标准,应用于通信设备的时钟精度最低为±4.6ppm,±150ppm的时钟偏差无法满足要求。在低功耗电路系统中,实时时钟具有低功耗且精度相对较高的应用需求,针对此需求,本文设计了一种应用于低功耗实时时钟的高精度温度补偿电路。本文介绍了石英晶体振荡器的工作原理和物理特性,温度传感器的分类和指标以及目前主流的温度补偿方法。在此基础上,设计了一种应用于低功耗实时时钟的高精度补偿电路结构,电路主要包括两部分:温度传感器和数字补偿电路。温度传感器利用锁频环结构产生随温度变化的频率信号,然后把频率信号通过计数器计数转换成代表温度的数字量。为了提高温度传感器的精度,锁频环结构中采用斩波调制解调电路降低1/f噪声和运放失调电压的影响,同时采用gain booster结构来降低相位噪声带来的影响。数字补偿电路首先根据温度传感器输出的温度计算出石英晶体振荡器的频率偏差,然后把需要补偿的偏差频率值分别通过抑制/注入脉冲进行整数补偿,高频延时进行小数补偿,最终输出高稳定度的振荡频率信号。为了降低功耗和面积,数字补偿需要的高频延时信号可用温度传感器输出的高频振荡信号实现。本文基于GF130nm工艺,设计了温度补偿电路。版图面积为0.26mm~2。后仿真结果表明,温度传感器在TT工艺角,1.5V电压条件下功耗为64.7μW,分辨率为0.038℃,三点校准精度达到±0.46℃。基于此温度补偿电路的晶体振荡器精度可以达到±2.5ppm,按照每秒补偿一次的频率,温度补偿电路总功耗为288nW。


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