JSSC 2019第12期Power Management65nmCrystal Oscillator

A Fast Startup CMOS Crystal Oscillator Using Two-Step Injection Karim M Megawer

提出一种采用两步注入技术的快速启动CMOS晶体振荡器，显著缩短启动时间。

54-MHz, 20 µs startup time, 34.9 nJ startup energy, 1.0-V supply

快速启动晶体振荡器CMOS两步注入动态功耗管理

▸创新点1：两步注入技术（方法创新）：通过两步注入技术显著缩短晶体振荡器的启动时间，使其接近理论最小值的1.5倍，解决了传统启动时间过长的问题。

▸创新点2：晶体谐振器能量积累分析（理论创新）：通过求解晶体谐振器在任意注入频率下的微分方程，深入分析了能量积累行为，为优化注入时间提供了理论依据。

▸创新点3：最优注入时间确定（方法创新）：基于能量积累分析，确定了最优注入时间与稳态振幅及注入频率误差的函数关系，并提供了可容忍的注入频率误差范围，确保最优时间的存在。

▸创新点4：低功耗设计（电路创新）：在65nm CMOS工艺下实现了54MHz晶体振荡器，启动时间小于20µs，启动能量仅为34.9nJ，工作电压为1.0V，具有优异的低功耗性能。

Abstract

Fast startup crystal oscillators (XOs) are needed in heavily duty-cycled communication systems for implementing aggressive dynamic power management schemes. This article presents the ways to improve startup time of XOs. Using a two- step injection technique in a three-step process, the proposed technique reduces the XO startup time to within 1.5 × the theo- retical minimum. By solving the differential equation governing crystal resonator under injection for arbitrary injection fre- quency, the b