实际电路按照图1搭建,除了晶体和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在电路内部, 器件模型选用的0.25um模型.在设置电路参数时有几点是必须留意的.
前面已经用Matlab计算出了gm的最大和最小值是分别如图5所示的14.5uS和0.7uS,电路中反相器的gm值必须在这两个值之间才能保证正常振荡. 因此MOS管选取了较小的宽长比以达到gm的要求.通过CadenceSpectre进行电路仿真得到的gm在各个corner下从6.3us到3.2u.s之间,满足要求.
偏置电阻R,使反相器invl工作在线性放大区,这样才能使反相用具有大的增益并使其振荡在确定频率.R1的推荐值是10到25MΩ之间.随着R1的增大,反相器的增益随之增大,使振荡器更快的起振并可以在较低的电源电压下维持振荡.
R2的作用是增加反相器的输出电阻并限制驱动晶振的电流的大小.R2的值必须足够大以防止晶振被过驱动而导致晶体损坏,32.768KHZ晶体的驱动功率最大值是1uW. 对于32.768KHZ的晶振,R2的值在200到300kΩ左右.
CL是晶振的负载电容,晶振在使用时对其负载电容是有要求的,以保证晶振在正确的频率下振荡.32.768KHZ的晶振一般要求负载电容为6pf或12.5pf,在实际应用中需要对电容进行调节使晶振获得正确的振荡频率. 在本文设计的电路中Cl(或C2) 包括两部分的电容,一部分是片外电容。
另一部分使用片内集成的可调节的电容阵列,如图6所示,用四个MOS开关控制可变电容从0 到15pf变化,依次递增1pf.这样就可以直接通过控制字调节晶体负载电容的大小,以使晶体正确振荡在32.768KHZ.
所有电路参数都设置好之后,使用Spectre进行电路仿真,可以得到晶振电路的起振过程及稳态下的波形.从图7(a)中可以清楚的看到晶振电路的起振过程,一般的起振时间需要几百个ms.稳定情况下invl的一端是正弦波,另一端是被放大了的近似方波,需要图1中所示的inv2进行整型得到外形较好的方波并提供足够的驱动能力驱动后面的数字电路.
通过仿真还可以得到流过反相器的电流为1.4uA,晶体的功耗为0.1uW.
