在很多數(shù)字集成電路中都要用到實(shí)時(shí)時(shí)鐘( RTC,  Real Time Clock ) , 而確保RTC工作計(jì)時(shí)正確的關(guān)鍵部分就是32 .756k Hz 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(jì)方法及留意事項(xiàng), 并用Matlab驗(yàn)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(shí)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(duì)晶體的驅(qū)動(dòng)能量, 以防止晶體振壞或出現(xiàn)異常; 反相器inv2對(duì)invl的輸出波形整形并驅(qū)動(dòng)負(fù)載.

    圖2 所示為晶體的等效電路,Cp是晶體兩個(gè)引腳間的電容, 對(duì)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(gè)值決定了晶體的振蕩頻率.

    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, 由反相放大器和晶體兩真?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 ,所以

因此

對(duì)于S=jw加, 此阻抗由一個(gè)即是-gm/(ClCZw2)的負(fù)電阻串連C1 和C2組成(圖3(b))

    如圖4 所示, 將晶體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(shí)部也就是負(fù)阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中

這就對(duì)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(duì)值才大于晶體的串聯(lián)電阻, 才能夠維持晶體的振蕩.

設(shè)計(jì)反相器時(shí), 對(duì)gm的取值應(yīng)該加以留意. 尤其是對(duì)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(duì)于gm的軌跡圖,如圖5所示,橫軸是Zc的實(shí)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(duì)應(yīng)實(shí)軸上的值為50kΩ,也就是說電路可以振蕩時(shí)gm必須落在豎線左邊的半圓上. 豎線與半圓的兩個(gè)交點(diǎn)分別是gm的最大值和最小值.

    3 電路設(shè)計(jì)及仿真

    實(shí)際電路按照?qǐng)D1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(shí)有幾點(diǎn)是必須留意的.

    前面已經(jīng)用Matlab計(jì)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(gè)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(jìn)行電路仿真得到的gm在各個(gè)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(dòng)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(dòng)而導(dǎo)致晶體損壞,32.768KHZ晶體的驅(qū)動(dòng)功率最大值是1uW. 對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)使晶振獲得正確的振蕩頻率. 在本文設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)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(shí)間需要幾百個(gè)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(jìn)行整型得到外形較好的方波并提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)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.

 個(gè)人附加：

石英晶片之所以能當(dāng)為振蕩器使用，是基于它的壓電效應(yīng)：在晶片的兩個(gè)極上加一電場，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場，雖然這種交變電場的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩(wěn)定的。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率(由晶片的尺寸和形狀決定)相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。