【摘 要】
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为节省芯片功耗,大多数传感器节点芯片采用周期性休眠的工作模式,因此芯片中的部分电路需要周期性唤醒,其中包括芯片的时钟电路。晶体振荡器因为稳定的频率特性,常作为芯片的时钟源,但晶体振荡器从开始唤醒到输出稳定频率需要数百微秒的时间,这段时间内芯片处于上电等待状态。因此起振时间越长,等待状态浪费的能耗越大。为了在减少晶体振荡器起振时间的同时减小能量损耗,本文基于恒定频率注入的方法提出了自追踪能量注入的电
【基金项目】
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国产嵌入式CPU低功耗关键技术研发项目（项目号:2017ZX01030101-002）；
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为节省芯片功耗,大多数传感器节点芯片采用周期性休眠的工作模式,因此芯片中的部分电路需要周期性唤醒,其中包括芯片的时钟电路。晶体振荡器因为稳定的频率特性,常作为芯片的时钟源,但晶体振荡器从开始唤醒到输出稳定频率需要数百微秒的时间,这段时间内芯片处于上电等待状态。因此起振时间越长,等待状态浪费的能耗越大。为了在减少晶体振荡器起振时间的同时减小能量损耗,本文基于恒定频率注入的方法提出了自追踪能量注入的电路方案,产生恒定频率时钟进行注入能量,而无需校准电路。将晶体两端通过开关电阻模块分别接电源和地,利用晶体的压电效应在晶体两端产生一个正弦波,通过比较器将正弦波和参考电压进行比较,产生与晶体对应频率和相位的时钟实现自追踪能量注入,迅速增加晶体内部运动支路的电流,加速晶体振荡器的起振,解决了晶体振荡器起振慢以及能量注入时大部分能量浪费的问题。另外在能量注入完成后,为进一步减小启动时间,降低启动能耗,本文采用了三级放大器增加负阻的方案,打破了传统结构中负阻最大值的限制。本文基于40nm工艺完成了24MHz晶体振荡器的设计,电路面积为0.036mm2,片内负载电容6p F,振荡器稳定工作的功耗为88μW。TT工艺角,20℃条件下,晶体振荡器的稳定时间为11.9μs,启动能耗为11.3n J;在-40～90°C温度范围内,晶体振荡器的稳定时间最高为13.4μs。
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