晶體振蕩器相位誤差自動(dòng)校正快速啟動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破
晶體振蕩器的啟動(dòng)時(shí)間影響了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間間隔，對(duì)于采用占空比工作模式的系統(tǒng)功耗具有決定性作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的飛速發(fā)展與低功耗應(yīng)用場(chǎng)景的普及，快速啟動(dòng)晶體振蕩器的作用至關(guān)重要。
南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院（產(chǎn)教融合學(xué)院）郭宇鋒教授、蔡志匡教授團(tuán)隊(duì)在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研發(fā)了一款基于相位誤差自動(dòng)校正技術(shù)的快速啟動(dòng)晶體振蕩器芯片，該款芯片實(shí)現(xiàn)了大頻偏注入條件下的快速啟動(dòng)，突破了對(duì)注入信號(hào)頻率精度的嚴(yán)格限制，相關(guān)成果近日發(fā)表在第70屆InternationalSolidStateCircuitsConference（ISSCC）上，并入選會(huì)議Demo演示。該會(huì)議是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最高級(jí)別學(xué)術(shù)會(huì)議，素有“集成電路領(lǐng)域的奧林匹克”之稱。該篇論文的發(fā)表，標(biāo)志著南京郵電大學(xué)成為國內(nèi)第11家在ISSCC會(huì)議發(fā)表論文的大陸高校，國內(nèi)首家在ISSCC會(huì)議發(fā)表論文的省屬高校。
相位誤差自動(dòng)校正技術(shù)概念
據(jù)悉，高頻晶體振蕩器產(chǎn)生的參考時(shí)鐘屬于周期開啟的模塊，為系統(tǒng)中的其他模塊提供參考頻率。因此其啟動(dòng)時(shí)間的長短，對(duì)于占空比工作系統(tǒng)的功耗影響較大，300μs以上的啟動(dòng)時(shí)間便可增加低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)15%的功耗開銷。因此，參考時(shí)鐘的啟動(dòng)時(shí)間是限制系統(tǒng)功耗進(jìn)一步降低的瓶頸。
對(duì)于高頻晶體振蕩器啟動(dòng)時(shí)間過長及注入效率問題，目前效率最高的同頻注入技術(shù)仍然存在著一些棘手的問題。同頻注入技術(shù)需要一個(gè)頻率精準(zhǔn)（誤差<5000ppm）的片內(nèi)注入信號(hào)源，但在實(shí)際中，該信號(hào)源頻率受PVT影響無法做到十分精準(zhǔn)和穩(wěn)定，和晶體本征振蕩頻率之間存在頻率偏差，也簡稱為頻偏。頻偏會(huì)在注入過程中積分成相位差。當(dāng)這個(gè)相位差不斷累積，注入效率也就會(huì)逐漸降低，甚至出現(xiàn)抑制晶體啟動(dòng)的情況。而如果要實(shí)現(xiàn)超高精準(zhǔn)度（<1000ppm）的片內(nèi)注入信號(hào)源，就意味著設(shè)計(jì)難度和所需控制字劇增，以及芯片在量產(chǎn)時(shí)的trim成本難以承受。因而，如何在較大的頻偏下實(shí)現(xiàn)高效的能量注入與晶振的快速啟動(dòng)，就成為解決該問題的關(guān)鍵因素。
基于相位誤差自動(dòng)校正技術(shù)的快速啟動(dòng)晶體振蕩器芯片
針對(duì)高頻晶體振蕩器啟動(dòng)時(shí)間及注入效率問題，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于相位誤差自動(dòng)校正技術(shù)的快速啟動(dòng)高頻晶體振蕩器芯片架構(gòu)。該款芯片沿用目前效率最高的能量注入啟動(dòng)技術(shù)，首次提出相位誤差自動(dòng)校正概念，并首次在高頻晶體振蕩器設(shè)計(jì)中應(yīng)用單端能量注入技術(shù)。其內(nèi)部電路在對(duì)高頻晶體進(jìn)行能量注入的同時(shí)，檢測(cè)注入信號(hào)與晶體振蕩信號(hào)之間的相位誤差并自動(dòng)校正。經(jīng)流片測(cè)試驗(yàn)證，在高達(dá)10000ppm（理論極限的2倍）的大頻偏注入條件下，該款芯片的實(shí)測(cè)啟動(dòng)時(shí)間僅為17.5μs，將該條件下的啟動(dòng)時(shí)間縮短了249倍。與傳統(tǒng)雙端能量注入技術(shù)相比，其啟動(dòng)時(shí)間幾乎不隨注入頻率誤差波動(dòng)（偏差僅為1.27%）。
這項(xiàng)工作首創(chuàng)單端注入的概念和技術(shù)，有助于更深層次的理解晶體振蕩器的啟動(dòng)原理，為快速啟動(dòng)晶體振蕩器設(shè)計(jì)提供了重要見解和新思路。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)一直致力于快速啟動(dòng)晶體振蕩器、溫度傳感器和鎖相環(huán)等數(shù)?；旌霞呻娐返难芯颗c設(shè)計(jì)。此研究成果在面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速啟動(dòng)晶體振蕩器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，對(duì)進(jìn)一步降低物聯(lián)網(wǎng)、低功耗藍(lán)牙等系統(tǒng)功耗意義重大。
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