用于實時時鐘的32.768kHz晶振電路分析與設計

摘 要： 提出了一種采用晶振和比較器的結構實現實時時鐘RTC的32. 768kHz集成晶體振蕩電路的方法。設計基于UMC 0. 18um 工藝參數，并使用Hspice 對所設計的電路進行仿真，通過分析其各項性能指標，驗證了電路具有起振時間短，波形穩定，功耗低，所占芯片面積小的特點。

　　0 引言

　　在很多數字集成電路中都要用到實時時鐘（RTC , Real Time Clock） 電路，而確保RTC 工作計時準確的關鍵部分就是32.756kHz 的晶體振蕩電路。

　　傳統的RTC 電路是采用反相器對晶振產生的波形做整形，所用起振時間需要幾個ms ,如果用過多的反相器會加大電路功耗。本文提出一種用晶體起振電路模型和比較器搭建的晶振電路，晶振模型部分用于產生32. 768kHz的正弦波，比較器部分將波形整形為最終需要的時鐘波形。但是本文中所介紹的整個晶振電路的起振時間只需要幾個μs ,而且電路所需靜態電流少，耗功率小，版圖所占面積也小。整個電路用基于Hspice 做了仿真，驗證了電路各參數的準確性及電路的可實現性，并已成功流片并用于基于0. 18μm 工藝下的某系列音頻芯片中，為其提供實時時鐘。

　　1 電路結構

　　圖1 所示為振蕩電路結構框架，將晶振模型產生的正弦信號IN 和OUT 作為輸入，進入比較器比較后，產生穩定的32k 時鐘波形。

圖1 晶振的整體電路

　　2 具體電路分析

　　按晶振部分和比較器部分分別給出具體電路的分析。

　　2. 1 晶振部分的電路分析

　　圖2 所示是晶振部分所用的具體電路，其中，R1 , C1 ,L1 , Cp 是晶體的等效模型電路。R1 是晶體的等效串聯電阻，其值表示晶體的損失，L1 , C1 分別為晶體的等效串聯電感和電容，這兩個值決定晶體的振蕩頻率為32. 785kHz （ f = 1P2pi √LC） , Cp 是晶體輸入輸出引腳間的電容，其值為5 p , Cl1 , Cl2 是晶體的負載電容。圖2 中NMOS管M1 作為一個單級反相放大器通過晶振等效電路形成正反饋，從而和柵源（ G , S） ,漏源（ D , S） 之間的兩個負載電容一起形成Pierce 振蕩電路的結構。Ribias 和Rg 為NMOS管提供偏置電壓。該晶振部分電路在滿足巴克豪林準則的條件下可以振蕩。

圖2 晶振部分的具體電路。

　　以下通過負阻的角度來分析電路的工作原理，圖3 所示為晶振部分等效串聯諧振電路，其中NMOS 管M1 和Cl1 , Cl2 的阻抗可以等效為：

　　其具體等效方法為： 設流進OUT 點的電流為I ,Ribias 兩端的電壓為V ,NMOS 管上的漏電流為gmVIN ,則：

　　聯立這兩個式子，消去VIN 即可得到：

　　從而，起振電路的等效阻抗：