一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器

王子轩; 王山虎; 王鑫; 姚佳飞; 张珺; 胡善文; 蔡志匡; 郭宇锋

doi:10.12263/DZXB.20230912

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一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器

中国电子学会科学技术奖特约专栏 | 更新时间：2025-12-08

- 一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器
- A Fast Startup Crystal Oscillator Based on Phase-Error Correction Technique
- 电子学报 2024年52卷第4期页码：1182-1188
- 作者机构：
  
  1.南京邮电大学集成电路科学与工程学院,江苏南京 210023
  2.南京邮电大学射频与微组装技术国家地方联合工程实验室,江苏南京 210023
- 作者简介：
  
  [ "王子轩男，1982年11月出生于江苏省徐州市.2014年于东南大学电子与工程学院获工学博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为高能效集成电路设计.中国电子学会会员编号：E190015658M.E-mail: wangzixuan@njupt.edu.cn" ]
  [ "王山虎男，1999年9月出生于河南省漯河市.2022年进入南京邮电大学集成电路科学与工程学院攻读硕士学位.主要研究方向为数模混合电路设计.E-mail: 1022223626@njupt.edu.cn" ]
  [ "王鑫男，1998年10月出生于江苏省泰州市.2021年进入南京邮电大学集成电路科学与工程学院攻读硕士学位.主要研究方向为数模混合电路设计.E-mail: 1021021003@njupt.edu.cn" ]
  [ "姚佳飞男，1988年2月出生于江苏省常熟市.2016年于南京邮电大学获微电子学与固体电子学专业博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为新型功率与射频微电子器件及其集成电路的设计、建模与封装技术.中国电子学会会员编号：E190016854M.E-mail: jfyao@njupt.edu.cn" ]
  [ "张珺男，1991年1月出生于江苏省南京市.2018年于南京邮电大学获微电子学与固体电子学专业博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院教授、硕士生导师.主要研究方向为有机功率半导体器件、新型功率半导体器件与结终端技术、功率集成技术.E-mail: zhangjun1991@njupt.edu.cn" ]
  [ "胡善文男，1985年9月出生于安徽省安庆市.2014于东南大学获电子科学与技术专业博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院副教授、硕士生导师.主要研究方向为新型射频无源器件的仿真与设计、射频前端集成电路的设计及毫米波前端集成电路的设计.E-mail: shanwenh@njupt.edu.cn" ]
  [ "蔡志匡男，1983年7月出生于江苏省连云港市.2014年于东南大学电子与工程学院获工学博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院教授、博士生导师.主要研究方向为低功耗集成电路设计与测试.中国电子学会会员编号：E190019695M.E-mail: whczk@njupt.edu.cn" ]
  [ "郭宇锋男，1974年5月出生于河南省洛阳市.2005年于电子科技大学获微电子学专业博士学位.现任南京邮电大学集成电路科学与工程学院教授、博士生导师.主要研究方向为新型微电子器件、集成电路设计、无线能量和信息协同传输.E-mail: yfguo@njupt.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(U22B2024;61974073);江苏省自然科学基金(BK20221271)
- DOI：10.12263/DZXB.20230912
  中图分类号： TP333;
- 收稿：2023-09-27，
  
  修回：2023-10-30，
  
  纸质出版：2024-04-25
- 稿件说明：
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王子轩,王山虎,王鑫等.一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器[J].电子学报,2024,52(04):1182-1188.

WANG Zi-xuan,WANG Shan-hu,WANG Xin,et al.A Fast Startup Crystal Oscillator Based on Phase-Error Correction Technique[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2024,52(04):1182-1188.
王子轩,王山虎,王鑫等.一种基于相位误差校正技术的快速启动晶体振荡器[J].电子学报,2024,52(04):1182-1188. DOI： 10.12263/DZXB.20230912.

WANG Zi-xuan,WANG Shan-hu,WANG Xin,et al.A Fast Startup Crystal Oscillator Based on Phase-Error Correction Technique[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2024,52(04):1182-1188. DOI： 10.12263/DZXB.20230912.

摘要

随着超低功耗（Ultra-Low Power，ULP）物联网（Internet of Things，IoT）系统的发展，采用能量注入技术的快速启动晶体振荡器因对IoT系统功耗影响巨大而逐渐成为研究热点.能量注入技术可以显著降低晶体振荡器的启动时间和启动能量，但是对注入源的精度要求苛刻.为了扩大注入频偏容限以及实现高注入效率，本文提出了一种基于延迟锁定环的相位误差校正技术.该技术将注入频偏容限扩大到2%，启动过程的非注入持续时间仅为4个周期，实现了高效注入.本文所述晶体振荡器采用40 nm CMOS工艺设计并流片.在1.0 V电源电压下采用24 MHz晶体进行测试，当注入频偏高达2%时，实现了7.2 μs的启动时间，启动能量为5.1 nJ.相比同频偏下的传统注入方案，启动时间缩短了99.66%.

Abstract

With the development of ultra-low power (ULP) Internet of Things (IoT) systems

fast startup crystal oscillators with energy injection techniques have gained popularity due to their significant impact on the power consumption of IoT systems. Energy injection technology can significantly reduce the startup time and startup energy of the crystal oscillator but imposes strict restrictions on the accuracy of the injection source. To enlarge the injection frequency-mismatch tolerance and achieve high-efficiency injection

this work presents a delay locked-loop assisted phase-error correction technique. The injection frequency-mismatch tolerance is enlarged to 2%

and the non-injection duration of the start-up is only 4 cycles

achieving high injection efficiency. The proposed crystal oscillator is designed and fabricated in a 40 nm CMOS process. The prototype is tested with a 24 MHz crystal under 1.0 V supply. It achieves 7.2 μs startup time and consumes 5.1 nJ startup energy under 2%-injection-frequency-mismatch injection. Compared to the traditional injection with 2% injection frequency mismatch

this work achieves a startup time shorted by 99.66%.

关键词

Keywords

references

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