石英晶体谐振器和振荡器正在面临尺寸减小的挑战

今天的32kHz石英晶体谐振器和振荡器正在面临尺寸减小的挑战，移动时间保持应用需要小尺寸，紧密的频率稳定性和微功耗32.768k时钟参考。之前描述的基于MEMS的振荡器可以实现严格的精度，但在高频下工作，其功率不适合移动应用。

本文介绍了一种基于32kHzMEMS的振荡器。基于图1所示的最新石英有源振荡器对比表，它提供最小尺寸,1.55×0.85mm，在-40的工业温度范围内具有最佳频率稳定性，100ppm(XO)和3ppm(TCXO)到85°C.XO和TCXO晶振的电源电流分别为0.9和1.0μA，电源电压范围为1.5至3.6V。

基于MEMS的振荡器的简化框图如图1所示。524kHz MEMS谐振器和维持放大器为可编程小数N分频合成器提供频率参考，从而产生精确的32kHz输出。振荡器可配置为XO或TCXO模式。在XO模式下，分数N合成器通过二阶数字Delta-Sigma调制器（DSM）补偿由于工艺变化引起的频率误差。在TCXO晶振模式下，温度-数字转换器（TDC）和3阶多项式还可以补偿温度范围内的频率变化。

电容式转换的524kHzMEMS谐振器，如图2所示，具有以下电气特性：标称品质因数(Q)为52,000，标称运动阻抗(Rm)为40kΩ，谐振频率变化<100ppm-40~40+85°C。使用电荷泵(CP)对4脚金属面谐振器进行偏置，该电荷泵使1.2V稳压电源达到三倍。皮尔斯维持电路通过亚阈值逆变器维持振荡。自动增益控制(AGC)可在启动时和PVT变化时调整此逆变器的gm。调整串联驱动电容（CDrive）以补偿生产中的Rm变化.MEMS维持电路和CP的总电流消耗为240nA。图3显示了PLL和温度补偿路径的框图。通过DSM控制的预分频器将MEMS频率分频至32kHz。PLL带宽设置为1kHz，以最大限度地降低预分频器和VCO的噪声影响。VCO是电流控制的贴片有源振荡器，标称频率为262kHz。PLL的电流消耗（包括DSM）为290nA。

在低功耗模式下，如图3所示，PLL可以被禁用，输出来自DSM控制的预分频器。这引入了额外的输出抖动，但在计数脉冲的应用中没有坏处，例如32.768个脉冲来定义一秒。这种低功耗XO模式（LPM）可将1Hz轨到轨输出时钟的芯片电流降至0.6μA，无需外部负载。

图3所示的TDC采用了基于BJT的温度传感元件。这产生PTAT电压ΔVBE= VBE2-VBE1，使用两个相同大小的BJT，其以不同的电流I2和I1偏置，比率为ρ。二阶ΔΣ调制器提供数字比特流，其平均值与(α.ΔVBE)/VBG成比例，其中VBG=VBE1+α.ΔVBE。选择α和ρ以产生与温度无关的VBG。为了提高其准确性和鲁棒性，TDC在BJT电流源中采用动态元件匹配，在第一个积分器中采用相关双采样，在系统级采用斩波。