突破注入频率偏差“桎梏”，南邮成果加速时钟启动

晶体振荡器的启动时间影响了系统的数据收发时间间隔，对于采用占空比工作模式的系统功耗具有决定性作用。随着物联网设备的飞速发展与低功耗应用场景的普及，快速启动晶体振荡器的作用至关重要。

南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院）郭宇锋教授、蔡志匡教授团队在集成电路设计领域取得新进展，研发了一款基于相位误差自动校正技术的快速启动晶体振荡器芯片，该款芯片实现了大频偏注入条件下的快速启动，突破了对注入信号频率精度的严格限制，相关成果近日发表在第70届International Solid State Circuits Conference（ISSCC）上，并入选会议Demo演示。该会议是集成电路设计领域的最高级别学术会议，素有“集成电路领域的奥林匹克”之称。该篇论文的发表，标志着南京邮电大学成为国内第11家在ISSCC会议发表论文的大陆高校，国内首家在ISSCC会议发表论文的省属高校。

▲相位误差自动校正技术概念

据悉，高频晶体振荡器产生的参考时钟属于周期开启的模块，为系统中的其他模块提供参考频率。因此其启动时间的长短，对于占空比工作系统的功耗影响较大，300μs以上的启动时间便可增加低功耗蓝牙系统15%的功耗开销。因此，参考时钟的启动时间是限制系统功耗进一步降低的瓶颈。

对于高频晶体振荡器启动时间过长及注入效率问题，目前效率最高的同频注入技术仍然存在着一些棘手的问题。同频注入技术需要一个频率精准（误差<5000ppm）的片内注入信号源，但在实际中，该信号源频率受PVT影响无法做到十分精准和稳定，和晶体本征振荡频率之间存在频率偏差，也简称为频偏。频偏会在注入过程中积分成相位差。当这个相位差不断累积，注入效率也就会逐渐降低，甚至出现抑制晶体启动的情况。而如果要实现超高精准度（<1000ppm）的片内注入信号源，就意味着设计难度和所需控制字剧增，以及芯片在量产时的trim成本难以承受。因而，如何在较大的频偏下实现高效的能量注入与晶振的快速启动，就成为解决该问题的关键因素。

▲基于相位误差自动校正技术的快速启动晶体振荡器芯片

针对高频晶体振荡器启动时间及注入效率问题，团队提出了一种基于相位误差自动校正技术的快速启动高频晶体振荡器芯片架构。该款芯片沿用目前效率最高的能量注入启动技术，首次提出相位误差自动校正概念，并首次在高频晶体振荡器设计中应用单端能量注入技术。其内部电路在对高频晶体进行能量注入的同时，检测注入信号与晶体振荡信号之间的相位误差并自动校正。经流片测试验证，在高达10000 ppm（理论极限的2倍）的大频偏注入条件下，该款芯片的实测启动时间仅为17.5μs，将该条件下的启动时间缩短了249倍。与传统双端能量注入技术相比，其启动时间几乎不随注入频率误差波动（偏差仅为1.27%）。

这项工作首创单端注入的概念和技术，有助于更深层次的理解晶体振荡器的启动原理，为快速启动晶体振荡器设计提供了重要见解和新思路。

据悉，研究团队一直致力于快速启动晶体振荡器、温度传感器和锁相环等数模混合集成电路的研究与设计。此研究成果在面向物联网应用的快速启动晶体振荡器领域实现突破，对进一步降低物联网、低功耗蓝牙等系统功耗意义重大。

原标题：《突破注入频率偏差“桎梏”，南邮成果加速时钟启动》

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