32.768kHz的MEMS振荡器拥有极高的精度

电信应用要求在1s积分时间内具有优于10-10的Allan偏差（ADEV）的时钟，或者对于48MHz金属面时钟晶振在1Hz偏移频率下具有小于-59dBc的PN，降低30dB/十倍。此类应用还需要-40至85°C的±0.1ppm频率稳定性，必须在1°C/s的温度斜坡和热瞬态期间保持，通常在100Hz带宽内。本工作中描述的MEMS振荡器满足PN要求，无需温度补偿（XO）。但是，为了满足稳定性要求，温度补偿（TCXO）是必不可少的。

最佳报告的TDC分辨率为100μK（rms），10S/s，FOM为13pJK2。在这项工作中，MEMS频率变化高达1ppm/K.为避免降低TCXO PN，需要在200S/s下至少50μK的TDC分辨率。为了满足这一要求而扩展架构将需要1W的功耗。VCXO晶振传感器实现了迄今为止最佳的能效，FOM为0.52pJK2，但在10mK（rms）时，其分辨率远远不够。此外，这两个最佳示例都是基于热敏电阻的，并且在整个寿命期间不太可能满足±0.1ppm的稳定性要求（包括滞后）。其他TDC类型，例如基于BJT的传感器，尚未达到所需的分辨率和能量效率。所提出的双MEMS谐振器TDC在这项工作中使我们能够同时实现目标分辨率，BW，FOM和稳定性。

图1描述了可编程石英晶体振荡器，在一个芯片上有两个MEMS谐振器，连接到CMOS芯片，包括两个振荡器维持电路，一个频率比引擎和一个频率合成器。在该架构中，温度信息来自两个MEMS频率的比率：温度检测频率fTS（45MHz）和温度平坦频率fTF（47MHz），温度系数为-7ppm/K和1ppm/K,分别。因此它们的比率具有约-8ppm/K的温度系数.

图2显示了频率比引擎，它由一个嵌套在另一个内的PLL组成。数字PLL（DPLL）将fTS锁定为由嵌套模拟小数N分频PLL（APLL）提供的fTF的缩放值，并用作DPLL的数控振荡器（DCO）。 APLL的小数除法值是两个频率的缩放比率。DCO的输出频率除以10，以优化所用过程中的功率和性能。小数除法值应用于由7阶多项式和椭圆低通滤波器组成的TDC数据路径。然后，通过修改频率合成器的可编程倍频器（PFM）值，滤波后的结果用于稳定参考频率fTF，从而在合成器的输出端产生稳定的频率。