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用于实时时钟的32.768kHz晶振电路分析与设计

作者:时间:2013-01-11来源:网络收藏

摘 要: 提出了一种采用和比较器的结构实现RTC的32. 768kHz集成晶体振荡的方法。基于UMC 0. 18um 工艺参数,并使用Hspice 对所进行仿真,通过其各项性能指标,验证了具有起振时间短,波形稳定,功耗低,所占芯片面积小的特点。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/175922.htm

  0 引言

  在很多数字集成电路中都要用到(RTC , Real Time Clock) 电路,而确保RTC 工作计时准确的关键部分就是32.756kHz 的晶体振荡电路。

  传统的RTC 电路是采用反相器对产生的波形做整形,所用起振时间需要几个ms ,如果用过多的反相器会加大电路功耗。本文提出一种用晶体起振电路模型和比较器搭建的电路,晶振模型部分产生32. 768kHz的正弦波,比较器部分将波形整形为最终需要的波形。但是本文中所介绍的整个晶振电路的起振时间只需要几个μs ,而且电路所需静态电流少,耗功率小,版图所占面积也小。整个电路用基于Hspice 做了仿真,验证了电路各参数的准确性及电路的可实现性,并已成功流片并基于0. 18μm 工艺下的某系列音频芯片中,为其提供时钟。

  1 电路结构

  图1 所示为振荡电路结构框架,将晶振模型产生的正弦信号IN 和OUT 作为输入,进入比较器比较后,产生稳定的32k 时钟波形。

图1  晶振的整体电路

图1 晶振的整体电路

  2 具体电路

  按晶振部分和比较器部分分别给出具体电路的

  2. 1 晶振部分的电路分析

  图2 所示是晶振部分所用的具体电路,其中,R1 , C1 ,L1 , Cp 是晶体的等效模型电路。R1 是晶体的等效串联电阻,其值表示晶体的损失,L1 , C1 分别为晶体的等效串联电感和电容,这两个值决定晶体的振荡频率为32. 785kHz ( f = 1P2pi √LC) , Cp 是晶体输入输出引脚间的电容,其值为5 p , Cl1 , Cl2 是晶体的负载电容。图2 中NMOS管M1 作为一个单级反相放大器通过晶振等效电路形成正反馈,从而和栅源( G , S) ,漏源( D , S) 之间的两个负载电容一起形成Pierce 振荡电路的结构。Ribias 和Rg 为NMOS管提供偏置电压。该晶振部分电路在满足巴克豪林准则的条件下可以振荡。

图2  晶振部分的具体电路。

图2 晶振部分的具体电路。

  以下通过负阻的角度来分析电路的工作原理,图3 所示为晶振部分等效串联谐振电路,其中NMOS 管M1 和Cl1 , Cl2 的阻抗可以等效为:

  其具体等效方法为: 设流进OUT 点的电流为I ,Ribias 两端的电压为V ,NMOS 管上的漏电流为gmVIN ,则:

  联立这两个式子,消去VIN 即可得到:

  从而,起振电路的等效阻抗:

 如果要维持电路振荡,必须保持Zc 的实部与R1 之和是零或者负值,这就对gm 的值提出了要求。

  gm 的最小值可以用以下方法估计:

  忽略Ribias和Cp ,设定Cl1 = Cl2 = C , Zc 即可简化成:

  Zc 实部的绝对值要大于等于R1,所以有:

  根据上述条件设定晶振部分电路各器件参数,以满足晶振起振条件后,晶振输入输出端XIN 和XOUT 分别会产生相位相反的正弦信号。

图3  晶振电路的等效电路

图3 晶振电路的等效电路

  2. 2 比较器部分的电路分析

  电路中的比较器电路结构如图4 所示,晶振产生的两个幅度相等相位相反的信号作为输入进入比较器输入。

图4  比较器电路。

图4 比较器电路。

  M1 - M4 构成伪电流源差分放大器,M5 和M6用来提高输入管M3 和M4 的gm ,M7 和M8 是用输出电压作为其栅极电压,从而控制M3 和M4 的连接与否。当V IN > VOUT时,M3 的漏电流大于M4 上的漏电流,而M1上的电流镜像到M2上,于是M2上的电流大于M4 上的电流,多余的电流将流进反相器1 ,由于反相器的输入电容,电流转化成电压,此时可以认为是数字高电平1 ,那么输出也即为高电平,M7管导通,M5 增加了M3 的gm ,进一步增加反相器1的输入电压,从而使得输出高电平更稳定;反之,当V IN VOUT时,M3 的漏电流小于M4 上的漏电流,同样M1 上的电流镜像到M2 上,于是M2 上的电流小于M4 上的电流,因此反相器1 的输入电容放电补充这部分电流,此时可以认为反相器1 的输入电压是数字低电平0 ,那么输出也即为低电平,M8 管导通,M6 增加了M4 的gm ,从而将反相器1 的输入电压下拉至更低电平,从而使得输出低电平更稳定。

  由于比较器电路的输入电阻趋于无穷大,所用工艺下输入电容数量级为f F , 因此整个电路与晶振电路连接时不会对晶振电路造成影响。

现分析其具体性能如下:

  最大输出电压为:

  最小输出电压为:

  比较器的传输时延为:

  其中Id (M4) 是M4 管的漏电流,由于电路采用的伪电流源的结构,所以M4 管的漏电流允许很大,所以使得比较器的传输时延可以很短。

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