引言

在很多數字集成電路中都要用到實時時鐘（RTC , Real Time Clock） 電路，而確保RTC 工作計時準確的關鍵部分就是32.756kHz 的晶體振蕩電路。

傳統的RTC 電路是采用反相器對晶振產生的波形做整形，所用起振時間需要幾個ms ,如果用過多的反相器會加大電路功耗。本文提出一種用晶體起振電路模型和比較器搭建的晶振電路，晶振模型部分用于產生32. 768kHz的正弦波，比較器部分將波形整形為最終需要的時鐘波形。但是本文中所介紹的整個晶振電路的起振時間只需要幾個μs ,而且電路所需靜態電流少，耗功率小，版圖所占面積也小。整個電路用基于Hspice 做了仿真，驗證了電路各參數的準確性及電路的可實現性，并已成功流片并用于基于0. 18μm 工藝下的某系列音頻芯片中，為其提供實時時鐘。

1 電路結構

圖1 所示為振蕩電路結構框架，將晶振模型產生的正弦信號IN 和OUT 作為輸入，進入比較器比較后，產生穩定的32k 時鐘波形。

圖1 晶振的整體電路

2 具體電路分析

按晶振部分和比較器部分分別給出具體電路的分析。

2. 1 晶振部分的電路分析

圖2 所示是晶振部分所用的具體電路，其中，R1 , C1 ,L1 , Cp 是晶體的等效模型電路。R1 是晶體的等效串聯電阻，其值表示晶體的損失，L1 , C1 分別為晶體的等效串聯電感和電容，這兩個值決定晶體的振蕩頻率為32. 785kHz （ f = 1P2pi √LC） , Cp 是晶體輸入輸出引腳間的電容，其值為5 p , Cl1 , Cl2 是晶體的負載電容。圖2 中NMOS管M1 作為一個單級反相放大器通過晶振等效電路形成正反饋，從而和柵源（ G , S） ,漏源（ D , S） 之間的兩個負載電容一起形成Pierce 振蕩電路的結構。Ribias 和Rg 為NMOS管提供偏置電壓。該晶振部分電路在滿足巴克豪林準則的條件下可以振蕩。

圖2 晶振部分的具體電路。

以下通過負阻的角度來分析電路的工作原理，圖3 所示為晶振部分等效串聯諧振電路，其中NMOS 管M1 和Cl1 , Cl2 的阻抗可以等效為：

其具體等效方法為： 設流進OUT 點的電流為I ,Ribias 兩端的電壓為V ,NMOS 管上的漏電流為gmVIN ,則：

聯立這兩個式子，消去VIN 即可得到：

從而，起振電路的等效阻抗：

如果要維持電路振蕩，必須保持Zc 的實部與R1 之和是零或者負值，這就對gm 的值提出了要求。

gm 的最小值可以用以下方法估計：

忽略Ribias和Cp ,設定Cl1 = Cl2 = C , Zc 即可簡化成：

Zc 實部的絕對值要大于等于R1，所以有：

根據上述條件設定晶振部分電路各器件參數，以滿足晶振起振條件后，晶振輸入輸出端XIN 和XOUT 分別會產生相位相反的正弦信號。

圖3 晶振電路的等效電路

2. 2 比較器部分的電路分析

電路中的比較器電路結構如圖4 所示，晶振產生的兩個幅度相等相位相反的信號作為輸入進入比較器輸入。

圖4 比較器電路。

M1 - M4 構成偽電流源差分放大器，M5 和M6用來提高輸入管M3 和M4 的gm ,M7 和M8 是用輸出電壓作為其柵極電壓，從而控制M3 和M4 的連接與否。當V IN > VOUT時，M3 的漏電流大于M4 上的漏電流，而M1上的電流鏡像到M2上，于是M2上的電流大于M4 上的電流，多余的電流將流進反相器1 ,由于反相器的輸入電容，電流轉化成電壓，此時可以認為是數字高電平1 ,那么輸出也即為高電平，M7管導通，M5 增加了M3 的gm ,進一步增加反相器1的輸入電壓，從而使得輸出高電平更穩定；反之，當V IN < VOUT時，M3 的漏電流小于M4 上的漏電流，同樣M1 上的電流鏡像到M2 上，于是M2 上的電流小于M4 上的電流，因此反相器1 的輸入電容放電補充這部分電流，此時可以認為反相器1 的輸入電壓是數字低電平0 ,那么輸出也即為低電平，M8 管導通，M6 增加了M4 的gm ,從而將反相器1 的輸入電壓下拉至更低電平，從而使得輸出低電平更穩定。

由于比較器電路的輸入電阻趨于無窮大，所用工藝下輸入電容數量級為f F , 因此整個電路與晶振電路連接時不會對晶振電路造成影響。

現分析其具體性能如下：

最大輸出電壓為：

最小輸出電壓為：

比較器的傳輸時延為：

其中Id （M4） 是M4 管的漏電流，由于電路采用的偽電流源的結構，所以M4 管的漏電流允許很大，所以使得比較器的傳輸時延可以很短。

C 是M4 管源端的結點電容，即：

Cin 是反相器的輸入電容。

比較器的頻率響應可以表示為：

其中

3 電路設計及仿真

圖2 所示電路搭建仿真模型用Hspice 進行仿真。圖2 中需要給電路提供一個直流電平，所以在OUT 端連接一個PMOS 管，其源端接電源，漏端和柵端接在OUT 點，作為一個等效電阻?？紤]到圖1 中NMOS 管的gm 大小的限制，經過計算取WPL =2μP8μ，其gm = 9. 5μs.負載電容Cl1 和Cl2 取10μ，以確保晶振的振蕩頻率為32. 768kHz , 在實際仿真中可以對負載電容進行調整以獲得準確的振蕩頻率。Ribias 一般取10M 到25M 之間，當Ribias 增大時，NMOS 管的反相放大器的增益增大，此時振蕩器的起振時間變小。另外，仿真時為了讓電路起振需要在IN 端給一個電流擾動。該部分的仿真結果如圖5 所示，IN 和OUT 兩端正反饋過程明顯，從而產生相位相反的正弦信號。

圖5 晶振電路部分IN 和OUT端的電壓波形

圖4 中要求比較器有較高的增益，帶寬超過32. 768kHz ,根據給定的輸出最大最小值和傳輸時間設計好各個管子的寬長比后，仿真得到如圖6 所示的比較器的傳輸曲線。

圖6 比較器的傳輸特性曲線。

由圖6 可測得，VOH = 1. 738V ,VOL = 2. 46mV ,失調電壓VOS = 21. 28mV.

將圖2 晶振部分與圖4 比較器部分連接后仿真，輸出的時鐘波形如圖7 所示，可以看出其起振時間為625μs ,由于采用的偽電流結構和M5~ M8 的作用，其上升時間僅為0. 017μs , 下降時間僅為0. 008μs.對比用反相器作為整形電路的結構，其起振時間為2ms ,如圖8 所示，其最終輸出的時鐘波形也比用比較器結構的差，例如失真度較高，盡管反相器的管子的寬長比很大，波形的上升時間和下降時間也很長，而且它的低電平部分不能完全到達0V.

圖7 晶振整體電路的輸出時鐘波形

圖8 用反相器整形后輸出時鐘波形。

通過仿真可得，該電路的功耗為2. 4292μW.

綜上所述，比較器電路的仿真結果如表1 所示，整個晶振電路的仿真結果如表2 所示。

表1 比較器電路仿真結果。

表2 整個振蕩電路仿真結果

4 結束語

提出了一種用于實時時鐘RTC 的32. 768kHz 集成晶體振蕩電路的實現方法，采用晶振和比較器的結構，文中分別給出了這兩部分的具體電路和分析，并使用Hspice 對所設計的電路進行仿真，從而驗證了該電路起振時間短，波形穩定，功耗低等特點。