[发明专利]一种基于自充电的低功耗晶体振荡器

说明书

本发明公开了一种基于自充电的低功耗晶体振荡器，包括基准电流源、皮尔斯振荡器、转化电路、启动电路、控制电路、增强时间测定电路和消散时间测定电路，所述基准电流源分别连接皮尔斯振荡器、转化电路和启动电路，本发明针对晶体振荡器的低功耗技术，应用自充电的方式，仿真设计了一款超低功耗晶体振荡器电路。该晶体振荡器可以在温度范围‑20～85℃内正常工作，且频率偏差为‑3.62～‑175.98ppm，在电源电压为3V、TT工艺角、25℃下电路的工作电流为8.48nA，在2.9～3.1V电压范围内频率的电压稳定性为52.45ppm/V。

技术领域

本发明涉及振荡器领域，具体是一种基于自充电的低功耗晶体振荡器。

背景技术

近几年来，可穿戴设备和物联网(Internet of Things,IoT)技术发展迅猛，广泛应用于生物医学、军事和环境监测等领域，这些设备节点芯片一般采用电池供电，但是受电池技术的制约，为了保证设备长时间工作(如NB-IOT要求一颗电池能支持节点芯片工作10年)，对节点芯片的功耗提出了极高的要求。为了降低节点芯片的功耗，电路系统通常是周期性循环工作，并且大部分时间处于休眠模式。这样，即使电路系统在工作模式下功耗较大，只要处于工作模式的时间远小于处于休眠模式的时间(如环境监测的节点一天只需开启数次，每次工作时间不超过1秒)，其处于工作模式所引起的功耗便可以忽略不计。因此，休眠模式的功耗决定了整个电路系统的总功耗。

无线传感器网络节点芯片是一个典型的超低功耗(Ultra-Low Power,ULP)系统，休眠期间CPU不工作，但实时时钟(Real Time Clock，RTC)电路仍然工作，用于唤醒系统、系统调度、在每次测量时进行时间标记及同步两个不同的传感器节点。在工作模式下，首先系统被时钟源唤醒，然后启动CPU开始工作，接着模拟模块被打开以便采集和计算数据，最后启动射频模块对处理完毕的数据进行无线传输。接下来，系统将迎来长时间的休眠模式，在休眠模式下，为了保证整个电路能够正常工作，有几个功能电路是一直处于工作状态，在这样的低功耗电路系统中，这些常开电路的功耗决定了整个电路的平均功耗。而时钟源电路作为少数常开电路之一，其功耗在平均功耗中占主导地位，一个低功耗的时钟源可以极大地提高系统的待机时间。

低功耗时钟源电路一般由振荡器和简单的分频器组成，其中振荡器电路主要分为晶体振荡器、环形振荡器以及张弛振荡器三种，在实际应用中，由于石英晶体本身的高Q值特性，晶体振荡器具有精度高、对温度、电压以及工艺(PVT)的变化敏感性较低的优点，低功耗设备基本上采用晶体振荡电路作为时钟源。晶体振荡器的典型功耗一般在几百nW到几十μW之间，最低功耗可以达到数十nW的量级，其功耗是时钟源电路功耗的重要组成部分，是时钟源电路模拟部分中功耗最大的模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自充电的低功耗晶体振荡器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于自充电的低功耗晶体振荡器，包括基准电流源、皮尔斯振荡器、转化电路、启动电路、控制电路、增强时间测定电路和消散时间测定电路，所述基准电流源分别连接皮尔斯振荡器、转化电路和启动电路，皮尔斯振荡器还分别连接转化电路、控制电路和启动电路，控制电路还分别连接增强时间测定电路和消散时间测定电路。

优选地，所述的基准电流源由启动电路和电流镜组成，电源上电时，启动电路能驱动电路摆脱简并偏置点。

优选地，所述的皮尔斯振荡器将传统的皮尔斯振荡器改为电流源驱动，同时将偏置电阻R_f替换成差分放大器，需要基准电流源提供电流偏置。

优选地，所述的启动电路能在降低功耗的同时加快起振速度，需要基准电流源提供电流偏置。

优选地，所述的增强时间测定电路由两个比较器、两个SR触发器以及一个异或门组成，异或门的两个输入端分别由一个比较器和一个SR触发器串联而成，用于测定振荡增强时间。