基于皮爾斯振蕩器的8 MHz 晶振電路設(shè)計(jì)

邵穎飛，魯征浩

(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州 215006)

1 引言

電路設(shè)計(jì)中，需要一種產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的振蕩器，如晶振、RC 振蕩器、環(huán)形振蕩器等[1]。石英晶體振蕩器的頻率輸出穩(wěn)定且精確度高，因此在很多領(lǐng)域皆有廣泛的應(yīng)用，如電話通訊、全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、精密電子儀器、微電子系統(tǒng)等[2]。石英晶體組成的振蕩電路，其頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-6～10-11數(shù)量級(jí)。在復(fù)雜的集成電路系統(tǒng)中，尤其是數(shù)字電路，需要一個(gè)穩(wěn)定精確的時(shí)鐘信號(hào)[3]，皮爾斯（Pierce）晶體振蕩電路常常在這些系統(tǒng)中被用作時(shí)鐘發(fā)生器[4]。傳統(tǒng)Pierce 晶體振蕩電路的功耗大，起振時(shí)間長(zhǎng)，單電壓域工作且產(chǎn)生的輸出時(shí)鐘信號(hào)為正弦波，無(wú)法直接給數(shù)字電路使用。

本文設(shè)計(jì)了一種雙電壓域工作且輸出時(shí)鐘信號(hào)為方波的皮爾斯晶體振蕩電路，由皮爾斯電路、使能控制及隔離電路、偏置電路和整形及電平移位電路組成。偏置電路可在功耗和起振時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)折中。整形電路可將正弦波整形成占空比為50%±5%的方波。電平移位則能將輸出波形的幅值從模擬電壓域轉(zhuǎn)換到數(shù)字電壓域，實(shí)現(xiàn)雙電壓域工作。

2 振蕩器原理及參數(shù)

在選擇濾波器件時(shí)，一般優(yōu)先考慮石英晶體。石英晶體包括一塊平板壓電電阻材料，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換[5]。石英晶體一般作為芯片的外圍電路使用，很少集成到芯片內(nèi)部。為便于對(duì)設(shè)計(jì)的晶振電路進(jìn)行仿真分析，本文給出了一個(gè)8 MHz 石英晶體的電路模型。

2.1 改進(jìn)的皮爾斯振蕩電路

典型的皮爾斯振蕩電路如圖1 所示。它由兩部分組成：一部分是反相器，主要用于提供180°相移；另一部分是由外部負(fù)載電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，用以提供電路所需的另一個(gè)180°相移。為了使反相器能夠工作在線性區(qū)，在電路中需要引入反饋電阻RF。反相器和反饋電阻組成一個(gè)反向放大器，以實(shí)現(xiàn)晶振起振的目的。

皮爾斯振蕩電路若要正確起振，則需滿足巴克豪森準(zhǔn)則：第一個(gè)條件，該電路在穩(wěn)態(tài)下的整體相移為360°[6]；第二個(gè)條件，該電路環(huán)路增益應(yīng)大于或等于1[7]。

圖1 皮爾斯振蕩電路

C1、C2為晶振外部的2 個(gè)匹配電容，與石英晶體構(gòu)成π 形網(wǎng)絡(luò)帶通濾波器。通過(guò)對(duì)這2 個(gè)小電容的值的微調(diào)，可以使晶振電路產(chǎn)生的頻率調(diào)整到晶體的標(biāo)稱(chēng)頻率。

反饋電阻RF的阻值不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致環(huán)路無(wú)法振蕩，其值一般大于等于1 MΩ。本文改進(jìn)的皮爾斯振蕩電路如圖2 所示，與傳統(tǒng)皮爾斯振蕩電路相比，改進(jìn)后的電路功耗減小且起振時(shí)間縮短。

圖2 改進(jìn)的皮爾斯振蕩電路

N16 管的柵極輸入VBN由偏置電路提供。偏置電路正常工作時(shí)，VBN信號(hào)為一固定電壓，使得N16 管保持導(dǎo)通，反相放大電路中的工作電流被限制，同時(shí)保證該工作電流能夠維持反相放大電路的正常工作。該設(shè)計(jì)可以減小皮爾斯振蕩電路的功耗，又能將起振時(shí)間控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

2.2 8 MHz 石英晶體等效模型

石英晶體的等效電路主要由動(dòng)態(tài)電阻R、動(dòng)態(tài)電感L、動(dòng)態(tài)電容C和靜態(tài)電容C0組成。本文給出一個(gè)8MHz石英晶體等效模型，對(duì)應(yīng)的等效器件參數(shù)見(jiàn)表1[8]。

表1 8 MHz 晶振等效參數(shù)

在高穩(wěn)晶振設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以滿足設(shè)置頻率且能精確調(diào)整頻率范圍的電路結(jié)構(gòu)。在此情況下，在設(shè)計(jì)中就需要關(guān)注串聯(lián)諧振頻率（fs）、并聯(lián)諧振頻率（fP）和標(biāo)稱(chēng)頻率（fN）。它們的表達(dá)式分別為：

本文選用的石英晶體標(biāo)稱(chēng)頻率fN為8 MHz。fN的值應(yīng)介于fs的值和fP的值之間。在該區(qū)域間，石英晶體呈感性，具有很高的品質(zhì)因數(shù)，可在振蕩電路中起到很強(qiáng)的穩(wěn)頻作用。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，計(jì)算可得fs=7988770 Hz，fP=8008109 Hz。

從式（3）中可以看出，若想讓晶體振蕩時(shí)能達(dá)到標(biāo)稱(chēng)頻率，可以通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電容CL來(lái)微調(diào)振蕩電路的頻率。根據(jù)選用的晶體參數(shù)，計(jì)算可得CL=4.03 pF。

振蕩電路的增益裕量決定了振蕩電路是否能正常起振?；谡袷庪娐吩O(shè)計(jì)理論，反相器跨導(dǎo)gm和晶振本征增益g0必須滿足gm＞g0。為保證振蕩器可靠起振，增益裕量的最小值至少設(shè)為5。

皮爾斯振蕩電路中的跨導(dǎo)為反相器中P11 管和N15 管的跨導(dǎo)之和，利用上述條件，可以計(jì)算出P11 管和N15 管的寬長(zhǎng)比，從而實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)。

3 電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的晶振電路能夠?qū)崿F(xiàn)雙電壓域工作，輸出時(shí)鐘為方波，功耗小，起振時(shí)間短。偏置電路用來(lái)限制高電壓時(shí)的工作電流，以減小電路功耗，同時(shí)避免高電壓時(shí)的工作電流太小，以獲得合理的起振時(shí)間；整形電路用于正弦波的整形，以輸出可作為時(shí)鐘信號(hào)使用的方波；電平移位電路用于實(shí)現(xiàn)整體電路的雙電壓域工作。

除石英晶體及外部電容C1、C2外，其他器件均可集成在電路內(nèi)部。偏置電路、皮爾斯振蕩器和整形電路的電源電壓VDD3P3為3.3 V，電平移位電路的電源電壓VDD1P5為1.5 V。

3.1 偏置電路

偏置電路如圖3 所示。VBN信號(hào)能夠控制皮爾斯振蕩電路中反相放大電路的工作電流，使該工作電流的數(shù)值在一個(gè)合理范圍之內(nèi)，以達(dá)到減小電路功耗的目的。ENN 信號(hào)由使能控制電路提供，當(dāng)ENN 信號(hào)為低電平時(shí)，偏置電路正常工作。

圖3 偏置電路

N11～N13 管的VGS等于VDS，VBN電壓值就等于N11～N13 管的VGS相加。電流公式為：

其中，VGS-VTH為過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，W/L為管子的寬長(zhǎng)比，μn、COX為工藝常數(shù)。由式（4）可知，VBN大小可通過(guò)調(diào)節(jié)N11～N13 管的W/L實(shí)現(xiàn)。

3.2 整形及電平移位電路

整形及電平移位電路如圖4 所示。皮爾斯振蕩電路的輸出波形為正弦波，為得到方波形式的時(shí)鐘信號(hào)，采用整形電路對(duì)晶振產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行整形。本文選用比較器和反相器作為整形電路。為實(shí)現(xiàn)電路的雙電壓域工作，反相器兼具了電平移位的功能。整形電路工作在3.3 V 電壓域，電平移位電路工作在1.5 V電壓域。

皮爾斯振蕩電路正向接入比較器1，反向接入比較器2，使得比較器1 和2 的輸出波形相差180°相位，將兩者接入比較器3 中再次對(duì)波形整形。根據(jù)比較器的原理，每一級(jí)比較器都起到了整形電路的作用，可將振蕩電路輸出的正弦波整形成矩形波。

經(jīng)過(guò)比較器整形后，電路輸出的波形不夠完美，通過(guò)3 級(jí)CMOS 反相器，再次對(duì)輸出波形進(jìn)行整形。反相器只需要輸入端達(dá)到一定的翻轉(zhuǎn)電壓，就能使輸出電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，故可在一定的電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電平移位。且最后一級(jí)反相器的W/L做得大些，可以增強(qiáng)整個(gè)晶振電路輸出的驅(qū)動(dòng)能力。

通過(guò)比較器和反相器，晶振產(chǎn)生的正弦波被整形成了形狀良好且符合數(shù)字電壓域的方波[9]，可直接給數(shù)字電路提供時(shí)鐘輸入。整形及電平移位電路能夠輸出數(shù)字時(shí)鐘，且實(shí)現(xiàn)雙電壓域工作的功能。

圖4 整形及電平移位電路

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于皮爾斯振蕩器的8 MHz 晶振電路能夠正常工作，且功耗相比傳統(tǒng)的晶振電路有所減小，采用宏力0.11 μm 的器件模型，用Cadence Spectre 仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1 瞬態(tài)仿真（tran）

在20 μs 時(shí)，對(duì)電源電壓VDD3P3和VDD1P5施加一個(gè)階躍信號(hào)，石英晶體兩端的信號(hào)XIN、XOUT和整體晶振電路輸出信號(hào)DOUT的波形如圖5 所示。

圖5 8 MHz 晶振電路的瞬態(tài)響應(yīng)波形

仿真結(jié)果顯示，接入電路的晶體兩端XIN和XOUT在0.35 ms 后開(kāi)始起振。正常工作時(shí)，晶振電路的瞬間最大電流為1.67 mA。經(jīng)計(jì)算，平均電流為350 μA?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整偏置電路的輸出電壓來(lái)調(diào)整電路中的工作電流，但需綜合起振時(shí)間與工作電流考慮。波形的局部放大圖如圖6 所示。

石英晶體兩端XIN和XOUT上的波形接近正弦波。振蕩器的輸出幅度為3.3 V，頻率與正弦波的頻率一致，為8 MHz。比較電路輸出的波形為矩形波，通過(guò)幾級(jí)反相器整形，整體電路輸出端DOUT上的波形為方波，誤差為0.11%，輸出幅度變?yōu)?.5 V，頻率仍為8 MHz。典型條件下，晶振電路仿真參數(shù)如表2 所示。

圖6 8 MHz 晶振電路的瞬態(tài)響應(yīng)波形局部放大圖

表2 8 MHz 晶振電路仿真參數(shù)總結(jié)

4.2 多工藝角仿真（PVT）

為驗(yàn)證不同條件下的晶振工作情況，對(duì)設(shè)計(jì)好的晶振電路進(jìn)行PVT 仿真。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3，可知起振時(shí)間的最小值為0.13 ms，最大值為0.38 ms；工作電流的最小值為107 μA，最大值為1380 μA；占空比的最小值為48.88%，最大值為52.59%。各個(gè)條件下的仿真結(jié)果都在典型值的合理誤差范圍內(nèi)，即晶振電路在各個(gè)工藝角下都能夠正常起振，且輸出波形的占空比誤差在±3%之內(nèi)。

文獻(xiàn)[5]的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)電路的對(duì)比如表4所示。與該電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)相比，本文設(shè)計(jì)的8 MHz晶振電路工藝先進(jìn)，起振時(shí)間短且工作電流小。本晶振電路擁有2 個(gè)工作電壓域，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電壓域到數(shù)字電壓域的電平移位，輸出的頻率波形為方波，且幅值為數(shù)字模塊的電壓域，應(yīng)用于數(shù)?；旌想娐窌r(shí)，可直接用作數(shù)字電路的時(shí)鐘輸入，不需另加電路。

表3 8 MHz 晶振多工藝角仿真參數(shù)

表4 8 MHz 晶振電路設(shè)計(jì)指標(biāo)與現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)比

5 結(jié)論

本文在分析石英晶體等效電路和典型皮爾斯晶振電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款基于皮爾斯振蕩器的8 MHz 晶振電路。在該電路中，輸出時(shí)鐘波形為方波，滿足雙電壓域工作，且相較于其他晶振電路，本文設(shè)計(jì)的晶振電路功耗小，起振時(shí)間短；采用宏力0.11 μm的工藝模型，對(duì)晶振電路進(jìn)行了瞬態(tài)分析及PVT 仿真。仿真結(jié)果顯示，振蕩器的振蕩頻率為8 MHz，工作電流為350 μA，起振時(shí)間為0.35 ms，輸出波形為1.5 V 幅值的方波，且占空比為49.89%。該電路可被應(yīng)用于數(shù)?；旌螩MOS 集成電路，作為數(shù)字模塊的時(shí)鐘輸入。