硅機電振蕩器，可編程晶振的出現(xiàn)讓不少石英晶體生產(chǎn)廠家震撼和恐懼，因為這款可編程的晶體出現(xiàn)會直接威脅到石英晶振生產(chǎn)商的飯碗。但是以千赫石英晶體表晶為主要生產(chǎn)的廠家到不是很擔(dān)心，因為目前的硅機電晶體替代技術(shù)還沒法把時鐘晶體表晶系列給替代，因此以千赫為主要生產(chǎn)的工廠目前完全不擔(dān)心。
4月20日，美國初創(chuàng)公司SiTime在北京宣布，推出可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石英振蕩器的SiT11xx系列MEMS First振蕩器(硅機電振蕩器)。SiT11xx系列提供1MHz～125MHz輸出頻率，適合數(shù)瑪相機、游戲機、機頂盒、MP3播放器等各類消費電子產(chǎn)品，汽車電子及工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。SiTime的振蕩器在-40℃～85℃溫度變化范圍內(nèi)提供50ppm～100ppm的頻率精度，而操作電壓僅在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已經(jīng)可以提供樣片，預(yù)計9月量產(chǎn)出貨。SiTime公司還宣布和香港先思行有限公司(AV Concept Limited)簽定中國大陸及香港地區(qū)獨家銷售代理權(quán)。

在很多數(shù)字集成電路中都要用到實時時鐘( RTC, Real Time Clock ) , 而確保RTC工作計時正確的關(guān)鍵部分就是32 .768KHZ的晶體振蕩器電路. 本文先容了集成32.768KHZ晶體振蕩電路的設(shè)計方法及留意事項, 并用Matlab驗證了理論分析, 用Cadence Spectre 仿真了電路.
    1 電路結(jié)構(gòu)
    如圖1 所示是晶振的整體電路.R1為反相器invl提供偏置,使其中的MOS管工作在飽和區(qū)以獲得較大的增益;C1,C2和雜散電容一起構(gòu)成晶體的電容負(fù)載, 同時它們和反相器invl一起可以等效為一負(fù)阻, 為晶體提供其振蕩所需要的能量; R2用來降低對晶體的驅(qū)動能量, 以防止晶體振壞或出現(xiàn)異常; 反相器inv2對invl的輸出波形整形并驅(qū)動負(fù)載.
    圖2 所示為晶體的等效電路,Cp是晶體兩個引腳間的電容, 對于不同的晶體, 其值在2~ 5pf之間; Rs是晶體的等效串連電阻, 其值表示晶體的損失;Cs和Ls分別為晶體的等效串連電容和電感, 這兩個值決定了晶體的振蕩頻率.

2 電路原理分析
圖1 所示的晶振電路假如滿足巴克豪林準(zhǔn)則就可以振蕩. 從負(fù)阻的角度來分析電路的工作原理.提供負(fù)阻的電路如圖3(a)所示, 由反相放大器和表晶兩真?zhèn)€負(fù)載電容構(gòu)成.

M1可以替換圖1中的invl,忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)、體效應(yīng)和晶體管的寄生電容. M1的漏電流即是(-I=/C1s)gm ,所

因此
對于S=jw加, 此阻抗由一個即是-gm/(ClCZw2)的負(fù)電阻串連C1 和C2組成(圖3(b))
如圖4 所示, 將表晶和放大器的偏置電阻置于M1 的柵漏兩端就構(gòu)成了前面所述的晶振電路,它可以等效為右邊的串連諧振電路, 假如要維持電路振蕩,必須保證Zc的實部也就是負(fù)阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中

這就對反相放大器的gm的大小提出了要求. 分析了gm,的極大值和極小值, gm只有取中間值, 得到的等效負(fù)阻的盡對值才大于表晶的串聯(lián)電阻, 才能夠維持晶體的振蕩.

設(shè)計反相器時, 對gm的取值應(yīng)該加以留意. 尤其是對32.768KHZ的晶振, 由于其Rs值很大,gm設(shè)置不當(dāng)很輕易導(dǎo)致晶體不振蕩. 在設(shè)置了合適的電路參數(shù)值的情況下, 使用Matlab畫出(3)式中Zc相對于gm的軌跡圖,如圖5所示,橫軸是Zc的實部( 電阻部分),縱軸是Zc的虛部(電容部分). 這里使用晶體Rs最大值為50kΩ.圖中豎線對應(yīng)實軸上的值為50kΩ,也就是說電路可以振蕩時gm必須落在豎線左邊的半圓上. 豎線與半圓的兩個交點分別是gm的最大值和最小值.
    3 電路設(shè)計及仿真
    實際電路按照圖1搭建,除了晶體和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在電路內(nèi)部, 器件模型選用的0.25um模型.在設(shè)置電路參數(shù)時有幾點是必須留意的.
    前面已經(jīng)用Matlab計算出了gm的最大和最小值是分別如圖5所示的14.5uS和0.7uS,電路中反相器的gm值必須在這兩個值之間才能保證正常振蕩. 因此MOS管選取了較小的寬長比以達(dá)到gm的要求.通過CadenceSpectre進行電路仿真得到的gm在各個corner下從6.3us到3.2u.s之間,滿足要求.
    偏置電阻R,使反相器invl工作在線性放大區(qū),這樣才能使反相用具有大的增益并使其振蕩在確定頻率.R1的推薦值是10到25MΩ之間.隨著R1的增大,反相器的增益隨之增大,使振蕩器更快的起振并可以在較低的電源電壓下維持振蕩.
    R2的作用是增加反相器的輸出電阻并限制驅(qū)動晶振的電流的大小.R2的值必須足夠大以防止晶振被過驅(qū)動而導(dǎo)致晶體損壞,32.768KHZ晶體的驅(qū)動功率最大值是1uW. 對于32.768KHZ的晶振,R2的值在200到300kΩ左右.

CL是晶振的負(fù)載電容,晶振在使用時對其負(fù)載電容是有要求的,以保證晶振在正確的頻率下振蕩.32.768KHZ的晶振一般要求負(fù)載電容為6pf或12.5pf,在實際應(yīng)用中需要對電容進行調(diào)節(jié)使晶振獲得正確的振蕩頻率. 在本文設(shè)計的電路中Cl(或C2) 包括兩部分的電容,一部分是片外電容。
另一部分使用片內(nèi)集成的可調(diào)節(jié)的電容陣列,如圖6所示,用四個MOS開關(guān)控制可變電容從0 到15pf變化,依次遞增1pf.這樣就可以直接通過控制字調(diào)節(jié)晶體負(fù)載電容的大小,以使晶體正確振蕩在32.768KHZ.

所有電路參數(shù)都設(shè)置好之后,使用Spectre進行電路仿真,可以得到晶振電路的起振過程及穩(wěn)態(tài)下的波形.從圖7(a)中可以清楚的看到晶振電路的起振過程,一般的起振時間需要幾百個ms.穩(wěn)定情況下invl的一端是正弦波,另一端是被放大了的近似方波,需要圖1中所示的inv2進行整型得到外形較好的方波并提供足夠的驅(qū)動能力驅(qū)動后面的數(shù)字電路.
通過仿真還可以得到流過反相器的電流為1.4uA,晶體的功耗為0.1uW.

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