应用于RTC的低功耗晶体振荡器设计.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TN492密级：公开UDC：621.38学号：151249应用于RTC的低功耗晶体振荡器设计研究生姓名：严晖导师姓名：凌明申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称电子科学与技术论文答辩日期2018年6月9日二级学科名称微电子学与固体电子学学位授予日期2018年月日答辩委员会主席蔡跃明评阅人蔡跃明吴建辉2018年6月9日硕士学位论文应用于RTC的低功耗晶体振荡器设计专业名称：微电子学与固体电子学研究生姓名：严晖导师姓名：凌明DESIGNOFLOWPOWERCRYSTALOSCILLATORFORREALTIMECLOCKA

2、ThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYYanHuiSupervisedbyAss.Prof.LingMingSchoolofMicroelectronicsSoutheastUniversityJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位

3、或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式

4、刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要随着可穿戴设备和物联网技术的迅猛发展，无线传输节点芯片的应用越来越广泛，这类节点一般采用电池供电，而电池存储容量有限，为了保证长时间工作，对节点芯片的功耗提出了极高的要求。为了节约能量，无线传感节点的工作模式由短暂的激活操作和长时间的空闲状态组成，实时时钟作为空闲状态下的常开电路，用于唤醒系统、系统调度和同步传感节点，其功耗决定着节点的总功耗。由于较高的频率稳定性，石英晶体振荡器被广泛应用于实时时钟电路中，是实时时钟电路功耗的重要来源，无线传输节点一般采用3V电池供电，无法直接为晶体振荡器提供

5、低电压，为了降低实时时钟的功耗，本文设计了一种常规电压下的低功耗晶体振荡器。本文系统阐述了基于自充电方法的低功耗晶体振荡器的基本原理和实现方法。从石英晶体模型入手，对石英晶体的特性、皮尔斯振荡器以及自充电方法中的关键技术进行了详细介绍；为了能够在常规电压下工作，设计基准电流源驱动皮尔斯振荡器，并且采用差分放大器代替偏置电阻，大大减少版图面积；为了解决功耗与起振时间的矛盾，设计启动电路使得晶体振荡器快速起振，之后关闭启动电路来节约能量；最后为了进一步降低功耗，利用晶体振荡器输出的时钟信号产生周期性脉冲信号控制放大器的开启关闭，并且设计测试电路测定振荡的增长时间和

6、消散时间，寻找脉冲信号周期和占空比的最优值。在电路原理分析及子电路设计的基础上，本设计基于GF130nm工艺，在Cadence集成环境下完成了低功耗晶体振荡器电路各个子模块及整体电路的原理图、版图的设计与验证，版图面积为0.014mm2。仿真结果表明：晶体振荡器可以在-20~85℃温度范围内正常工作，在电源电压为3V、TT工艺角、25℃下电路的工作电流为8.48nA，在-20~85℃温度范围内的频率偏差为-3.62~-175.98ppm，在2.9~3.1V电压范围内频率的电压稳定性为52.45ppm/V。关键词：低功耗，晶体振荡器，自充电，脉冲控制，频率偏差I

7、AbstractAbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofwearabledevicesandInternetofthingstechnology,theapplicationofwirelesstransmissionnodechipismoreandmoreextensive.Thiskindofnodeisgenerallypoweredbybatteriesandthebatterystoragecapacityislimited.Inordertoensurelong-termoperation,t

8、henodechip'spowerco