今天的32kHz石英晶體諧振器和振蕩器正在面臨尺寸減小的挑戰(zhàn)，移動(dòng)時(shí)間保持應(yīng)用需要小尺寸，緊密的頻率穩(wěn)定性和微功耗32.768k時(shí)鐘參考。之前描述的基于MEMS的振蕩器可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的精度，但在高頻下工作，其功率不適合移動(dòng)應(yīng)用。

本文介紹了一種基于32kHzMEMS的振蕩器。基于圖1所示的最新石英有源振蕩器對(duì)比表，它提供最小尺寸,1.55×0.85mm，在-40的工業(yè)溫度范圍內(nèi)具有最佳頻率穩(wěn)定性，100ppm(XO)和3ppm(TCXO)到85°C.XO和TCXO晶振的電源電流分別為0.9和1.0μA，電源電壓范圍為1.5至3.6V。

基于MEMS的振蕩器的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。524kHz MEMS諧振器和維持放大器為可編程小數(shù)N分頻合成器提供頻率參考，從而產(chǎn)生精確的32kHz輸出。振蕩器可配置為XO或TCXO模式。在XO模式下，分?jǐn)?shù)N合成器通過二階數(shù)字Delta-Sigma調(diào)制器（DSM）補(bǔ)償由于工藝變化引起的頻率誤差。在TCXO晶振模式下，溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）和3階多項(xiàng)式還可以補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)的頻率變化。

電容式轉(zhuǎn)換的524kHzMEMS諧振器，如圖2所示，具有以下電氣特性：標(biāo)稱品質(zhì)因數(shù)(Q)為52,000，標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)阻抗(Rm)為40kΩ，諧振頻率變化<100ppm-40~40+85°C。使用電荷泵(CP)對(duì)4腳金屬面諧振器進(jìn)行偏置，該電荷泵使1.2V穩(wěn)壓電源達(dá)到三倍。皮爾斯維持電路通過亞閾值逆變器維持振蕩。自動(dòng)增益控制(AGC)可在啟動(dòng)時(shí)和PVT變化時(shí)調(diào)整此逆變器的gm。調(diào)整串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電容（CDrive）以補(bǔ)償生產(chǎn)中的Rm變化.MEMS維持電路和CP的總電流消耗為240nA。圖3顯示了PLL和溫度補(bǔ)償路徑的框圖。通過DSM控制的預(yù)分頻器將MEMS頻率分頻至32kHz。PLL帶寬設(shè)置為1kHz，以最大限度地降低預(yù)分頻器和VCO的噪聲影響。VCO是電流控制的貼片有源振蕩器，標(biāo)稱頻率為262kHz。PLL的電流消耗（包括DSM）為290nA。

在低功耗模式下，如圖3所示，PLL可以被禁用，輸出來自DSM控制的預(yù)分頻器。這引入了額外的輸出抖動(dòng)，但在計(jì)數(shù)脈沖的應(yīng)用中沒有壞處，例如32.768個(gè)脈沖來定義一秒。這種低功耗XO模式（LPM）可將1Hz軌到軌輸出時(shí)鐘的芯片電流降至0.6μA，無需外部負(fù)載。

圖3所示的TDC采用了基于BJT的溫度傳感元件。這產(chǎn)生PTAT電壓ΔVBE= VBE2-VBE1，使用兩個(gè)相同大小的BJT，其以不同的電流I2和I1偏置，比率為ρ。二階ΔΣ調(diào)制器提供數(shù)字比特流，其平均值與(α.ΔVBE)/VBG成比例，其中VBG=VBE1+α.ΔVBE。選擇α和ρ以產(chǎn)生與溫度無關(guān)的VBG。為了提高其準(zhǔn)確性和魯棒性，TDC在BJT電流源中采用動(dòng)態(tài)元件匹配，在第一個(gè)積分器中采用相關(guān)雙采樣，在系統(tǒng)級(jí)采用斬波。