采用晶振和比较器实现实时时钟的32.768kHz集成晶体振荡电路的设计

 引言

在很多数字集成电路中都要用到实时时钟（RTC , Real Time Clock） 电路，而确保RTC 工作计时准确的关键部分就是32.756kHz 的晶体振荡电路。

传统的RTC 电路是采用反相器对晶振产生的波形做整形，所用起振时间需要几个ms ,如果用过多的反相器会加大电路功耗。本文提出一种用晶体起振电路模型和比较器搭建的晶振电路，晶振模型部分用于产生32. 768kHz的正弦波，比较器部分将波形整形为最终需要的时钟波形。但是本文中所介绍的整个晶振电路的起振时间只需要几个μs ,而且电路所需静态电流少，耗功率小，版图所占面积也小。整个电路用基于Hspice 做了仿真，验证了电路各参数的准确性及电路的可实现性，并已成功流片并用于基于0. 18μm 工艺下的某系列音频芯片中，为其提供实时时钟。

1  电路结构

图1 所示为振荡电路结构框架，将晶振模型产生的正弦信号IN 和OUT 作为输入，进入比较器比较后，产生稳定的32k 时钟波形。

图1  晶振的整体电路

2  具体电路分析

按晶振部分和比较器部分分别给出具体电路的分析。

2. 1  晶振部分的电路分析

图2 所示是晶振部分所用的具体电路，其中，R1 , C1 ,L1 , Cp 是晶体的等效模型电路。R1 是晶体的等效串联电阻，其值表示晶体的损失，L1 , C1 分别为晶体的等效串联电感和电容，这两个值决定晶体的振荡频率为32. 785kHz （ f = 1P2pi √LC） , Cp 是晶体输入输出引脚间的电容，其值为5 p , Cl1 , Cl2 是晶体的负载电容。图2 中NMOS管M1 作为一个单级反相放大器通过晶振等效电路形成正反馈，从而和栅源（ G , S） ,漏源（ D , S） 之间的两个负载电容一起形成Pierce 振荡电路的结构。Ribias 和Rg 为NMOS管提供偏置电压。该晶振部分电路在满足巴克豪林准则的条件下可以振荡。

图2  晶振部分的具体电路。

以下通过负阻的角度来分析电路的工作原理，图3 所示为晶振部分等效串联谐振电路，其中NMOS 管M1 和Cl1 , Cl2 的阻抗可以等效为：

其具体等效方法为： 设流进OUT 点的电流为I ,Ribias 两端的电压为V ,NMOS 管上的漏电流为gmVIN ,则：

联立这两个式子，消去VIN 即可得到：

从而，起振电路的等效阻抗：

如果要维持电路振荡，必须保持Zc 的实部与R1 之和是零或者负值，这就对gm 的值提出了要求。

gm 的最小值可以用以下方法估计：

忽略Ribias和Cp ,设定Cl1 = Cl2 = C , Zc 即可简化成：

Zc 实部的绝对值要大于等于R1，所以有：

根据上述条件设定晶振部分电路各器件参数，以满足晶振起振条件后，晶振输入输出端XIN 和XOUT 分别会产生相位相反的正弦信号。

图3  晶振电路的等效电路

2. 2  比较器部分的电路分析

电路中的比较器电路结构如图4 所示，晶振产生的两个幅度相等相位相反的信号作为输入进入比较器输入。

图4  比较器电路。

M1 - M4 构成伪电流源差分放大器，M5 和M6用来提高输入管M3 和M4 的gm ,M7 和M8 是用输出电压作为其栅极电压，从而控制M3 和M4 的连接与否。当V IN > VOUT时，M3 的漏电流大于M4 上的漏电流，而M1上的电流镜像到M2上，于是M2上的电流大于M4 上的电流，多余的电流将流进反相器1 ,由于反相器的输入电容，电流转化成电压，此时可以认为是数字高电平1 ,那么输出也即为高电平，M7管导通，M5 增加了M3 的gm ,进一步增加反相器1的输入电压，从而使得输出高电平更稳定；反之，当V IN < VOUT时，M3 的漏电流小于M4 上的漏电流，同样M1 上的电流镜像到M2 上，于是M2 上的电流小于M4 上的电流，因此反相器1 的输入电容放电补充这部分电流，此时可以认为反相器1 的输入电压是数字低电平0 ,那么输出也即为低电平，M8 管导通，M6 增加了M4 的gm ,从而将反相器1 的输入电压下拉至更低电平，从而使得输出低电平更稳定。

由于比较器电路的输入电阻趋于无穷大，所用工艺下输入电容数量级为f F , 因此整个电路与晶振电路连接时不会对晶振电路造成影响。

现分析其具体性能如下：

最大输出电压为：

最小输出电压为：

比较器的传输时延为：

其中Id （M4） 是M4 管的漏电流，由于电路采用的伪电流源的结构，所以M4 管的漏电流允许很大，所以使得比较器的传输时延可以很短。

C 是M4 管源端的结点电容，即：

Cin 是反相器的输入电容。

比较器的频率响应可以表示为：

其中

3  电路设计及仿真

图2 所示电路搭建仿真模型用Hspice 进行仿真。图2 中需要给电路提供一个直流电平，所以在OUT 端连接一个PMOS 管，其源端接电源，漏端和栅端接在OUT 点，作为一个等效电阻。考虑到图1 中NMOS 管的gm 大小的限制，经过计算取WPL =2μP8μ，其gm = 9. 5μs.负载电容Cl1 和Cl2 取10μ，以确保晶振的振荡频率为32. 768kHz , 在实际仿真中可以对负载电容进行调整以获得准确的振荡频率。Ribias 一般取10M 到25M 之间，当Ribias 增大时，NMOS 管的反相放大器的增益增大，此时振荡器的起振时间变小。另外，仿真时为了让电路起振需要在IN 端给一个电流扰动。该部分的仿真结果如图5 所示，IN 和OUT 两端正反馈过程明显，从而产生相位相反的正弦信号。

图5  晶振电路部分IN 和OUT端的电压波形

图4 中要求比较器有较高的增益，带宽超过32. 768kHz ,根据给定的输出最大最小值和传输时间设计好各个管子的宽长比后，仿真得到如图6 所示的比较器的传输曲线。

图6  比较器的传输特性曲线。

由图6 可测得，VOH = 1. 738V ,VOL = 2. 46mV ,失调电压VOS = 21. 28mV.

将图2 晶振部分与图4 比较器部分连接后仿真，输出的时钟波形如图7 所示，可以看出其起振时间为625μs ,由于采用的伪电流结构和M5~ M8 的作用，其上升时间仅为0. 017μs , 下降时间仅为0. 008μs.对比用反相器作为整形电路的结构，其起振时间为2ms ,如图8 所示，其最终输出的时钟波形也比用比较器结构的差，例如失真度较高，尽管反相器的管子的宽长比很大，波形的上升时间和下降时间也很长，而且它的低电平部分不能完全到达0V.

图7  晶振整体电路的输出时钟波形

图8  用反相器整形后输出时钟波形。

通过仿真可得，该电路的功耗为2. 4292μW.

综上所述，比较器电路的仿真结果如表1 所示，整个晶振电路的仿真结果如表2 所示。

表1  比较器电路仿真结果。

表2  整个振荡电路仿真结果

4  结束语

提出了一种用于实时时钟RTC 的32. 768kHz 集成晶体振荡电路的实现方法，采用晶振和比较器的结构，文中分别给出了这两部分的具体电路和分析，并使用Hspice 对所设计的电路进行仿真，从而验证了该电路起振时间短，波形稳定，功耗低等特点。