一种低功耗高稳定性晶体振荡器芯片的设计

27卷 第12期2010年12月

微电子学与计算机

MICROELECTRONICS&COMPUTER

Vol.27 No.12December2010

一种低功耗高稳定性晶体振荡器芯片的设计

陈红梅,徐静平,钟德刚

(华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉430074)

摘 要:分析了传统Pierce振荡器不足,提出了改进型的振荡器结构,并基于0.35 mCMOS工艺,设计实现了一款低功耗高稳定性的晶体振荡器芯片.芯片有两种工作模式:正常工作模式和低功耗模式.测试结果表明,在电源电压为5V、振荡频率为30MHz、负载电容15pF时,芯片消耗总电流低于5mA,振荡电路消耗电流仅为0.6mA,输出占空比为50 0.8%的方波信号,其频率随电源电压的变化率仅为0.5 10-6.引入低功耗模式,振荡器消耗电流降低至3 A以下,和传统结构相比,功耗降低了60%,频率随电压稳定性提高了10倍.关键词:Pierce晶体振荡器;低功耗;高稳定性;CMOS工艺

中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1000-7180(2010)12-0105-04

DesignofCrystalOscillatorChipwithLowPowerandHighStability

CHENHong mei,XUJing ping,ZHONGDe gang

(DepartmentofElectronicsScienceandTechnology,

HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Acrystaloscillatorchipwithlowpowerandhighstabilityispresented.OnthebasisofanalyzingthedisadvantagesoftheconventionalPiercecrystaloscillator,anovelcrystaloscillatorstructurehasbeenproposed.Thechipcanworkundertwomodes:normaloperatingmodeandpower dissipationmode.Basedon0.35 mCMOSprocess,thetestresultsshowthattotalconsumptionofthechipislessthan5mAwithpowersupplyvoltageof5V,oscillationfrequencyof30MHz,loadcapacitanceof15pF,andtheoscillatorcircuitisonly0.6mA,outputsquarewavesignalwithdutycycleof50 0.8%,frequencystabili ty0.5 10-6.Byintroducingthepower dissipationmode,currentconsumptionoftheoscillationcircuitisdroppedto3 A.Comparedwiththeconventionalstructure,thepower dissipationhasbeenreduced60%,frequencystabilityraisedtentimes.Keywords:Piercecrystaloscillator;lowpower dissipation;high stability;CMOStechnology

1 引言

在现代电子电路系统中,石英晶体振荡器具有高的品质因素,能精确的定义谐振频率(resonantfrequency),提供系统标准参考源(referencesource),因而扮演了极其重要的角色[1].晶体振荡器常常作为系统时钟,低功耗、高稳定性成为设计时要考虑的重点因素.

传统的Pierce振荡器如图1所示.M1作为放大器,R1为负载电阻,反馈电阻Rf用来稳定放大管的静态工作点,结构非常简单,得到了普遍的应用.

收稿日期:2009-09-21;修回日期:2009-11-25基金项目:国家自然科学基金项目(60776016)

但电阻直接作为负载功耗太大,且电阻占用的版图面积大,不利于芯片集成[2];另外,振荡器电路没有对振荡电流的限制,很可能因为振荡能量过大而使晶振受损,功耗大大增加.针对这些不足,文中对传统Pierce结构进行了改进:(1)设计了带使能控制的、快速起振的振荡电路,以降低电路功耗;(2)设计了振荡器输出缓冲电路,对振荡器输出信号进行放大整形,调整输出信号占空比为50%,隔离负载电路的影响,以提高输出信号的稳定度;(3)设计了使能控制电路,不仅实现整体电路使能控制,还可以在电路不起振时关断部分电路,以进一步降低电路功