【摘 要】
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为节约功耗,物联网设备需要时钟唤醒整个系统。晶体振荡器作为常见的系统时钟模块,具有稳定的频率特性,但晶体振荡器从唤醒至完全启动往往需要数百微秒的时间,起振时间长,功耗浪费大。本文围绕晶体振荡器启动时间长而导致功耗大的问题,基于28nm CMOS工艺,设计了一种新型的快速起振晶体振荡器。为了减少晶体起振时间,本文基于恒定能量注入启动的方法,提出了一种基于差分式环形振荡器复用式结构的晶体振荡器,保证了
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为节约功耗,物联网设备需要时钟唤醒整个系统。晶体振荡器作为常见的系统时钟模块,具有稳定的频率特性,但晶体振荡器从唤醒至完全启动往往需要数百微秒的时间,起振时间长,功耗浪费大。本文围绕晶体振荡器启动时间长而导致功耗大的问题,基于28nm CMOS工艺,设计了一种新型的快速起振晶体振荡器。为了减少晶体起振时间,本文基于恒定能量注入启动的方法,提出了一种基于差分式环形振荡器复用式结构的晶体振荡器,保证了注入信号两端的相位差为180°,增强了频率注入的效果,解决了传统的恒定能量注入方案需要额外的电容阵列帮助能量注入电路频率校准的问题。此外,本文在晶体振荡器两端跨接了有源电感模块,在起振时用于抵消晶体寄生电容的影响,增大晶体振荡器提供的负阻,加快晶体的起振过程;另一方面,在启动完毕后提供正的相位差,用于调节晶体的振荡频率,增大晶体振荡器总体的频率调节范围。本文设计的晶体振荡器在38.4MHz工作频率下,芯片面积为0.65mm~2（包含BGR与LDO）。后仿真结果表明,稳定工作状态下功耗最高为252μW,TT工艺角、25℃、3.3V供电的情况下的起振时间由约1ms缩短为77μs,单次启动的能量功耗为55n J。在不同工艺角及温度变化的情况下启动时间最高为111.4μs,单次启动的能量功耗最大为71.9n J,在10k Hz的频率偏差下的相位噪声低于140Hz/d B,100Hz-100MHz内的噪声积分抖动小于2ps。
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