SITIME晶振集团是全球领先的频率元件的制造商,尤其在生产石英晶体振荡器以及MEMS振荡器,可编程晶振等领域上的技术是无人能及的.对于生产MEMS振荡器是大家争先效仿的对象.该篇文章要介绍的便是1.55×0.85m 3ppm 32.768khz基于MEMS的振荡器的相关内容

移动计时应用需要小的形状因数、紧密的频率稳定性和微功率32.768K时钟基准。今天的32千赫石英谐振器和振荡器在缩小尺寸方面面临挑战。先前描述的基于MEMS的振荡器可以达到很高的精度，但是工作在高频下，功率不适合移动应用。本文介绍了一种基于32千赫MEMS的振荡器。

根据图12 . 9 . 6中所示的最近振荡器的比较表，它提供了最小的尺寸，1.55×0.85毫米，在- 40至85℃的工业温度范围内具有最佳的频率稳定性，100ppm(XO)和3ppm (TCXO)。在1.5至3.6v的供电电压下，XO和TCXO的供电电流分别为0.9和1.0μA

基于MEMS的振荡器的简化框图如图12 . 9 . 1所示。524千赫兹的MEMS谐振器和维持放大器为可编程分数N合成器提供频率参考，该合成器进而产生精确的32千赫兹输出。振荡器可以配置为XO或TCXO模式。在XO模式下，分数- N合成器通过二阶数字δ-∑调制器( DSM )来补偿由于工艺变化引起的频率不准确性。在TCXO模式下，温度-数字转换器( TDC )和三阶多项式额外补偿温度下的频率变化。

图12 . 9 . 1 :基于MEMS的TCXO晶振的简化框图。在XO模式下，
TDC和多项式温度补偿块被禁用。

如图12 . 9 . 2所示，电容换能的524千赫兹MEMS谐振器具有以下电气特性:标称品质因数( Q )为52，000，标称运动阻抗(Rm)为40ω，谐振频率变化在- 40至+ 85°c范围内<100ppm。使用电荷泵(CP)对谐振器进行偏置，使1.2V调节电源增加两倍。皮尔斯维持电路保持与亚阈值反相器的联系。自动增益控制( AGC ) [ 1 ]在启动和超过PVT变化时调整该逆变器的GM。一个串联驱动电容器( CDrive )被修整以补偿Rm随生产的变化。MEMS维持电路和CP的总电流消耗为240纳。图12 . 9 . 3显示了PLL和温度补偿路径的框图。DSM控制的预分频器将MEMS频率降低到32千赫。PLL带宽设置为1kHz，以最小化预分频器和VCO的噪声贡献。VCO是一个标称频率为262khz的电流控制环形石英晶体振荡器。包括DSM在内的锁相环的电流消耗为290纳。

图12 . 9 . 2 : MEMS谐振器、其偏置( VB )和524千赫兹维持振荡器
方框图。RB是工作在亚阈值的复制偏置晶体管。

在低功率模式下，如图12 . 9 . 3所示，PLL可以被禁用，并且输出来自DSM控制的预分频器。这引入了额外的输出抖动，但是在对脉冲计数的应用中，例如，32.768个脉冲以定义一秒钟，这是无害的。对于无外部负载的1Hz轨到轨输出时钟，这种低功率XO模式( LPM )将芯片电流降低到0.6μA。

图12 . 9 . 3 :分数N合成器，包括温度补偿
路径、TDC、数字调节器和低摆幅驱动器。

图12 . 9 . 3所示的TDC采用基于BJT的温度传感元件[ 4 ]。这产生了PTAT电压δVBE = VBE 2 - VBE 1，使用两个同样大小的BJT，用不同的电流I2和I1以ρ的比率偏置。二阶δσ调制器提供一个数字比特流，其平均值与(α.δVBE ) / VBG成比例，其中VBG = VBE 1 +α.δVBE。选择α和ρ来创建与温度无关的VBG。为了提高精度和鲁棒性，TDC在BJT电流源中采用动态元件匹配，在第一积分器中采用相关双采样，并在系统级进行斩波。