低功耗高稳定时钟晶振芯片的研究与设计

论文摘要

在众多获取频率源的方法中,石英晶体振荡器因具有高的品质因素,能精确定义谐振频率(resonant frequency),提供系统标准参考源(reference source),因而得到了广泛的应用。晶体振荡器常常作为系统实时时钟,低功耗、高稳定性成为其设计首要考虑的要点。本课题基于CMOS工艺,设计了一款低功耗、高稳定时钟晶振芯片。利用使能电路对整体电路进行控制,芯片工作在两种模式下:一种是正常工作模式,输出标准频率源信号;另一种为低功耗模式,输出高阻态,使能控制关断大部分电路,只有非常小的漏电流存在,大大地降低了功耗。晶体振荡器频率受电源电压影响严重,设计了电源电压稳定电路为振荡器提供稳定工作电压,提高了输出信号稳定性;为提高电路带负载能力,设计了高性能输出缓冲电路,对输出方波进行放大整形,提高了输出信号的准确性;为适应不同频率信号的需求,设计了分频电路,实现?0,?0/2,?0/4,?0/8(?0为晶振谐振固有频率)四种频率信号输出;对电路中关键的节点设计了保护电路,同时在进行版图设计时,充分考虑高频信号之间的耦合作用和高频器件的布局,降低了电路的噪声干扰,提高输出频率源的准确性。在完成电路原理分析及子模块设计的基础上,对整体电路进行了功能仿真及性能模拟,并利用Cadence的Virtuoso工具进行了整个版图的设计与验证,最后进行流片测试。测试结果表明,和传统结构相比,功耗降低了60%,频率稳定度提高了10倍,达到最初的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 石英晶体的主要参数
• 1.3 石英晶体振荡器发展种类及特点
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 论文结构安排
• 2 石英晶体的阻抗特性及起振原理分析
• 2.1 石英晶体的工作原理
• 2.2 石英晶体的阻抗特性
• 2.3 石英晶体振荡器起振原理
• 2.4 本章小结
• 3 低功耗高精度时钟芯片的设计
• 3.1 芯片的描述
• 3.2 振荡器电路设计
• 3.3 振荡器输出缓冲电路
• 3.4 使能控制电路
• 3.5 CMOS 分频器电路
• 3.6 输出缓冲电路
• 3.7 本章小结
• 4 芯片整体电路仿真与版图设计
• 4.1 芯片整体结构
• 4.2 芯片整体仿真
• 4.3 版图设计与后仿真
• 4.4 本章小结
• 5 芯片测试与结果分析
• 5.1 芯片电学特性测试
• 5.2 芯片温度特性测试
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文