本申請根據(jù)35U.S.C.§1 19要求2014年1月10日提交的，美國臨時申請序列號61/926014，名稱為“A Low Voltage Crystal Oscillator(XTAL)Driver With Feedback Controlled Duty Cycling For Ultra Low Power(用于超低功率的具有反饋受控工作周期的低電壓晶體振蕩器(XTAL)驅動器)”的優(yōu)先權，是該申請的非臨時申請，并且其全部內(nèi)容通過引用的方式明確結合于此。

技術領域

一些實施例一般涉及低功率電路設計，尤其涉及用于超低功率的具有反饋受控工作周期的低電壓XTAL驅動器。

背景技術：

對于給定量的可用能源，從電池和/或從從環(huán)境中獲取的功率操作的便攜式系統(tǒng)通常需要消耗少量的能量來延長系統(tǒng)壽命。由于對更小尺寸(較小的電池體積，因此較少的可用能量)、更長壽命(使得能量持續(xù)更長)、和/或更多功能(使用相同量的能量做更多事)的需求，在廣泛的應用中針對便攜式系統(tǒng)的能量預算越來越重要。

很多便攜式電子裝置，例如無線傳感器節(jié)點通常還將它們時間的大部分花費在休眠模式上，等待外部或內(nèi)部刺激來喚醒它們。在這些休眠(或待機)模式期間，很多裝置使用穩(wěn)定的時鐘源來保持時間準確以減小重新同步到其它無線電設備的成本，還出于其它原因。在激活模式期間，精確的定時參考被用于偏置精確數(shù)據(jù)取樣、RF射頻調(diào)制、和同步計算等等。

提供精確時鐘源的一種已知的方法包括使用晶體振蕩器(XTAL)?；赬TAL的振蕩器能夠消耗可用系統(tǒng)功率的可觀部分，尤其是在待機模式期間。例如，具有200kHz XTAL的能量獲取身體傳感器網(wǎng)絡(BSN)SoC(芯片上的系統(tǒng))在測量ECG，提取心臟速率，和每隔幾秒發(fā)送RF包時消耗19μW。F.Zhang、Y.Zhang、J.Sliver、Y.Shakhsheer、M.Nagaraju、A.Klinefelter、J.Pandey、J.Boley、E.Carlson、A.Shrivastava、B.Otis、和B.H.Calhoun在ISSCC Dig.Tech.Papers，pp298-299，2012上的“A Battery-less 9μW MICS/ISM-Band Energy Harvesting Body Area Sensor Node SoC(電池-小于19μW MICS/ISM-帶能量獲取身體區(qū)域傳感器節(jié)點SoC)”，其通過引用的方式被結合。在這個示例中，總功率消耗中超過2μW被200kHz XTAL消耗(Id)。

因此，需要一種在與小型超低功率電子器件相配的低得多的功率水平下從XTAL振蕩器生成精確的時鐘信號的方法。

技術實現(xiàn)要素：

描述了用于在非常低的電壓下，例如甚至在金屬-氧化物-半導體(MOS)晶體管的亞閾值操工況下操作晶體振蕩器(XTAL)的系統(tǒng)、方法和裝置。在一些實施例中，校準計劃對XTAL驅動器進行優(yōu)化以在低電壓下操作。為了進一步實現(xiàn)節(jié)省功率，XTAL驅動器可包括反饋受控模式，反饋受控模式在維持穩(wěn)定的輸出時鐘的同時使XTAL周期地工作。文中公開的一些實施例包括具有XTAL驅動器的設備，XTAL驅動器具有放大器，放大器帶有MOS晶體管。XTAL驅動器被配置成在MOS晶體管在亞閾值工況下操作時產(chǎn)生操作信號以操作XTAL。設備還包括反饋控制單元，該反饋控制單元操作地耦接至XTAL驅動器。反饋控制單元被配置成從XTAL驅動器接收操作信號，反饋控制單元被配置成基于操作信號生成調(diào)節(jié)信號。XTAL驅動器還被配置成響應于調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)XTAL驅動器的電路水平特性，從而XTAL驅動器的放大器的負電阻被校準成一值，以使MOS晶體管在亞閾值工況下操作。

文中描述的一些實施例包括具有XTAL的設備，XTAL被配置成在MOS晶體管的亞閾值工況下操作以生成振蕩。設備還包括通信耦接至XTAL的XTAL驅動器，XTAL驅動器被配置成生成工作周期信號以對振蕩的包絡線進行調(diào)制。設備還包括通信耦接至XTAL驅動器和XTAL的反饋控制單元，反饋控制單元被配置成使用來自振蕩的反饋以重復地在振蕩的包絡線的幅值衰減至最小值時接通XTAL驅動器，而在振蕩的包絡線的幅值達到最大值時關閉XTAL驅動器。

文中公開的一些實施例包括用于使XTAL周期地工作的方法。方法執(zhí)行以下：獲得XTAL振蕩包絡線的上升時間和下降時間的測量值；將開始信號發(fā)送到XTAL以使XTAL振蕩開始，該XTAL振蕩被配置成到達最大幅值；以及重復地執(zhí)行：發(fā)送第一信號以使XTAL驅動器關閉一與XTAL振蕩包絡線的下降時間成比例的第一時間，以及發(fā)送第二信號以接通XTAL驅動器一與XTAL振蕩包絡線的上升時間成比例的第二時間。第一時間和第二時間與XTAL振蕩包絡線的增長延遲和衰退延遲相關，從而保持XTAL振蕩。

附圖說明

圖1是示出已知的XTAL電路的示意圖及其等效電路原理圖；

圖2示出了根據(jù)一個實施例的反饋方案的框圖，其中反饋方案使用來自在低電壓下(包括在亞閾值區(qū)的低電壓下)操作的XTAL驅動器的輸出的信息；

圖3是根據(jù)一個實施例的能夠使用校準方法來改變XTAL驅動器的大小以在非常低的供給電壓下操作的系統(tǒng)的框圖；

圖4是根據(jù)一個實施例的能夠使用校準電路的系統(tǒng)的框圖，其中校準電路改變XTAL驅動器的大小以在非常低的供給電壓下操作；

圖5是根據(jù)一個實施例的改變XTAL驅動器的大小以在非常低的供給電壓下操作的校準電路的示例的電路圖；

圖6是仿真結果的示例，該仿真結果示出具有300mV的供給電壓的低電壓XTAL驅動器的一個實例的正常啟動；

圖7示出了根據(jù)一個實施例的XTAL驅動器和反饋控制方案的系統(tǒng)框圖和定時圖，其中反饋控制方案使用來自(多個)振蕩信號X_I和/或X_O的反饋來接通和關閉驅動器以節(jié)省功率，定時圖示出了如果與X_I的包絡線的幅值相關地控制工作周期，周期工作如何在不停止振蕩的情況下對X_I(和X_O)的包絡線進行調(diào)制的定時圖；

圖8示出了根據(jù)一個實施例的能夠通過接通和關閉XTAL驅動器來控制XTAL驅動器的工作周期的系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖和定時圖，其中定時圖示出了如果與X_I的包絡線的增長延遲和衰減延遲(分別為T_G和T_D)相關地控制工作周期，周期工作如何在不停止振蕩的情況下對X_I的包絡線進行調(diào)制；

圖9示出了根據(jù)一個實施例的用來測量X_I的振蕩包絡線的上升延遲T_G的電路的框圖；

圖10示出了根據(jù)一個實施例的示出了用來測量X_I的振蕩包絡線的下降延遲T_D的電路的框圖；

圖11示出了完整的XTAL振蕩器系統(tǒng)的示例的電路原理圖；

圖12示出了X_O波形的仿真結果的示例，X_O波形示出了在周期工作操作期間的包絡線和使能信號波形；

圖13示出了根據(jù)一個實施例的用于校準XTAL以在包括亞閾值區(qū)的低電壓下操作的流程圖；

圖14示出了根據(jù)一個實施例的用于在堅持振蕩的同時使XTAL的驅動器周期地工作的流程圖；

圖15示出了根據(jù)一個實施例的用于使XTAL周期地工作同時堅持振蕩的流程圖

具體實施方式

用于超低功率的具有反饋受控工作周期的低電壓晶體振蕩器(XTAL)驅動器將用于XTAL的放大器偏置于亞閾值工況中。替代地，反饋控制方案可用來偏置用于偏置于亞閾值工況中的XTAL放大器。

在一些實施例中，XTAL振蕩器的放大器可以周期地工作以節(jié)省功率。例如，XTAL驅動器(例如，放大器105，包括金屬-氧化物-半導體(MOS)晶體管)能夠在XTAL振蕩的幅值達到范圍中的最大值時關閉以節(jié)省功率，但是在XTAL振蕩的幅值開始衰減時回到接通狀態(tài)。這允許XTAL振蕩器在它停止之前維持振蕩。另外地或替代地，使XTAL振蕩器的放大器周期工作的反饋控制方案可以被用來監(jiān)測振蕩的幅值。

圖1示出了用于已知的采用并行模式振蕩的XTAL實施的架構(例如，101)和等效電路(例如，102)。在并行模式中，晶體振蕩器XTAL 106作為感應器109出現(xiàn)并且與負載電容器C_L 112一起振蕩。XTAL本身的等效電路是具有并聯(lián)寄生電容器C_P 113的串聯(lián)RLC電路。晶體振蕩器的品質(zhì)因數(shù)(Q)在范圍5000內(nèi)，這提供了精確的頻率輸出。反相放大器105展示出負電阻108，并且將被施加ac電流以克服圖1的RLC電路中的晶體等效串聯(lián)電阻(ESR)111的阻尼效應。為了振蕩，電路可通過使放大器的負電阻108大于晶體的ESR 111來滿足振蕩的巴克豪森準則。負電阻108的值是頻率的函數(shù)。晶體的ESR 111表示能量耗散器件，并且放大器105依靠供給/補充晶體中耗散的能量通過它負電阻108來補償這種耗散。

XTAL電路的功率消耗由XTAL 106和放大器105的設計確定。晶體振蕩器106中的能量耗散器件由晶體ESR 111表示。ESR 111表示熱損失形式的能量耗散并且由I²R給定，其中R是晶體的ESR 111的電阻的值，并且I是流入晶體的RMS(均方根)電流。這個損失與振蕩的幅值成正比。為了減小損失并且因此減小晶體振蕩器106的功率消耗，通常使振蕩的幅值減小。這能通過在亞閾值區(qū)中操作放大器105來完成。E.Vittoz和J.Fellarath在1977年6月的IEEE Journal of Solid State Circuits(IEEE固態(tài)電路雜志)，vol.12no.3pp 224-231上的“CMOS Analog Integrated Circuits Based on Weak Inversion Operations(基于弱反型操作的CMOS模擬集成電路”；以及W.Thommen在1999年的IEEE歐洲固態(tài)電路會議的“An improved Low Power Crystal Oscillator(改進的低功率晶體振蕩器)”；每個均通過引用的方式被結合。已知的電路技術通過使用延遲鎖定回路(DLL)或通過簡單地壓制振動幅值來降低振動幅值。D.Yoon、D.Sylverster和D.Blaauw在2012年的IEEE國際固態(tài)電路會議的“A 5.58nW 32.768kHz DLL-Assisted XO for Real-Time Clocks in Wireless Sensing Applications(無線傳感應用中用于實時時鐘的5.58nW 32.768kHz DLL-輔助XO”；W.Thomen在1999年的IEEE歐洲固態(tài)電路會議的“An improved Low Power Crystal Oscillator(改進的低功率晶體振蕩器)”；每個均通過引用的方式被結合。這些技術已經(jīng)將32kHz晶體振蕩器的功率消耗降低至5.58nW，使得可能將將晶體振蕩器用于無線傳感器，在無線傳感器中希望較低功率的時鐘。

與這些已知的電路技術相反，文中描述的電路技術是用于在非常低的電壓下，甚至在MOS晶體管(例如放大器105的MOS晶體管)的亞閾值工況下操作晶體振蕩器(XTAL)的系統(tǒng)、方法和設備。在一些實施例中，校準方案優(yōu)化XTAL驅動器(例如，放大器105)以在低電壓下操作。為了進一步實現(xiàn)節(jié)省功率，XTAL驅動器可包括在維持穩(wěn)定輸出時鐘的同時使XTAL 106周期地工作的反饋受控模式(未在圖1中示出；參見圖2中的202、圖3中的303、圖4中的403等)。

如同下面進一步描述的，補償放大器能夠在低電壓下維持振蕩并且反饋受控工作周期方案能夠使功率降低。

用于XTAL 106的放大器105能夠在低電壓下滿足巴克豪森振蕩準則以確保XTAL的振蕩。多種反相放大器構架能夠用來實施放大器。可以使用圖1中示出的具有大偏置電阻器107的簡單的推挽式反相器(數(shù)字反相器)；例如，它是單級的并且消耗更少的功率。W.Thommen在199年的IEEE歐洲固態(tài)電路會議的“An improved Low Power Crystal Oscillator(改進的低功率晶體振蕩器)”。改變驅動器的大小來在低供給電壓下保持正確的負電阻是有挑戰(zhàn)的。在較低的驅動器強度下(用于nMOS和pMOS的更小尺寸)，放大器105的負電阻108更低并且不能滿足振蕩準則。增加驅動器晶體管尺寸會增加負電阻，但是由于反相器中的自加載，負電阻在某一時刻會隨著增加的尺寸開始再次降低。同樣，反相器的尺寸的增加會增加功率消耗。

在亞閾值工況中，由于過程變化的影響(過程變化對這個工況中的晶體管電阻有指數(shù)影響)，開環(huán)地改變放大器105的大小不太可能地產(chǎn)生具有高產(chǎn)率的功能XTAL電路101。為了支持在低電壓下操作，文中公開的一些實施例使用校準方法來解決這個變化。圖2示出了反饋方案的框圖，其中反饋方案使用來自在低電壓下(包括在亞閾值工況下)操作XTAL驅動器201(XTAL 204可以或可以不被附接和振蕩)的輸出的信息來調(diào)節(jié)XTAL驅動器201的電路水平特性，從而它的負電阻被校準成正確的(或希望的或預定的)值。例如，反饋電路包括反饋控制單元202，反饋控制單元202從XTAL驅動器201接收驅動器輸出203。反饋控制單元202能夠使用驅動器輸出203來確定振蕩的當前狀況，例如振蕩的幅值，功率消耗等等。然后反饋控制單元202能夠將信號發(fā)送給XTAL驅動器201以調(diào)整XTAL驅動器201以設置負電阻以實現(xiàn)XTAL 204的亞閾值操作(例如在205)。

圖3示出了根據(jù)一個實施例的使用圖2中示出的校準方案以實現(xiàn)XTAL的亞閾值工況的反饋系統(tǒng)的電路實施的框圖。如圖3中所示，反相器301的輸出302能夠被發(fā)送到反饋控制單元303(例如，它可以是圖2中的202的等效物)，反饋控制單元303用來設置或生成調(diào)整MOS晶體管強度的反饋控制信號以調(diào)節(jié)反相器的電阻(例如在304)。

圖4示出了根據(jù)一個實施例的反饋系統(tǒng)的替代電路實施的系統(tǒng)框圖，反饋系統(tǒng)例如通過將反相器輸出402連接至具有電阻參考值的片外電阻404來實現(xiàn)如圖2中所示的XTAL的亞閾值操作。將反相器輸出402與電壓參考405相比較，并且這個結果被反饋控制單元403(例如，圖2中的202的等效物)用來設置(或生成)控制信號，該控制信號調(diào)節(jié)反相器401的MOS晶體管的有效長度(例如在406)。相似的方案可以使用用于校準的片上電阻。

圖5示出了圖4中示出的校準方案的示例的更詳細的電路原理圖，用來設置放大器晶體管MP 502a和MN 502b的驅動強度。當ENP(503b)＝0并且ENN(503a)＝1時，放大器501被啟用。為了將MN 502b校準至給定的驅動強度，ENN 503a和ENP 503b被設定成一。這使校準電路被啟用并且通過開關MNC 504將MN 502b連接至外部電阻器R_C 505。到放大器501的振蕩信號XI 506(例如，圖1中的103的等效物)被連接至Ref 508，Ref 508被選擇為V_DD/2以對平衡的反相器電壓轉移特性進行調(diào)整。使用反饋回路中的逐次逼近寄存器(SAR)509邏輯和比較器510來改變晶體管MN 502b的尺寸。這能夠采用下面的方式發(fā)生。振蕩信號XI 506和Ref 508被設定成V_DD/2，并且當下拉(pull-down)路徑被啟用的同時上拉(pull-up)路徑被停用。外部晶體管R_C 505被連接至V_DD。如果MN 502b的尺寸非常大，那么它將會把XO節(jié)點512下拉到Ref 508以下，這將引起比較器輸出變低。這個低信號引起SAR邏輯509將晶體管MN 502b的尺寸減小。通過接通或斷開晶體管MN502b的不同指狀部(finger)來使MN502b的尺寸被逐次逼近，晶體管MN502b的尺寸被二進制加權。在這個實施例中，過程采取5個時鐘周期，并且算法有效地針對由外部電阻器R_C 505設置的晶體管MN 502b的正確驅動強度執(zhí)行二進位檢索。這將MN 502b校準至正確的驅動強度，從而補償過程變化。類似地，通過將ENN 503a和ENP 503b設置成零并且將外部電阻器R_C 505接地來改變MP502a的大小。外部電阻器R_C505的尺寸可以被使用從而放大器501的大小被改變以供給5-20nA的偏置電流，5-20nA的偏置電流提供足夠的驅動強度來滿足振蕩的巴克豪森準則。

圖6示出了在校準(如同采用圖3-圖5中示出的多種實施例中實施的校準)之后的振蕩器的示例的仿真結果，從而確認它能夠在0.3V的V_DD下以～2nW的功率消耗振蕩。

如下所述，除了偏置放大器以實現(xiàn)亞閾值操作之外或替代偏置放大器以實現(xiàn)亞閾值操作，可以使用振蕩器的反饋受控工作周期來測量XTAL的特征以在降低功率的同時維持振蕩。晶體振蕩器的能量存儲在它的等效感應器和電容器中。在振蕩飽和之后，存儲在晶體等效感應器和電容器中的能量飽和。如果在這個條件下放大器被停用，那么振蕩將開始衰減。當振蕩器被停用時功率消耗變得忽略不計。振蕩不會立刻消失而是隨著由晶體的ESR(例如，圖1中的111)和Lm(串聯(lián)電感，例如圖1中的109)給定的時間常數(shù)一起衰減。晶體振蕩器的輸出仍是有用的并且當晶體振蕩器的輸出衰減時能夠用來提供時鐘，因為晶體振蕩器的輸出的頻率沒有在幅值衰減時漂移。因此，可以通過切換放大器來進一步降低晶體振蕩器的功率消耗。如果晶體振蕩器輸出的幅值被允許降低過多，那么振蕩停止，因此放大器可以在振蕩衰減過多之前回到接通狀態(tài)。

圖7示出了用于XTAL驅動器703和振蕩控制705(例如，類似于圖2中的反饋控制單元202)的系統(tǒng)框圖，振蕩控制705使用來自(多個)振蕩信號X_I 701和/或X_O 700的反饋來接通和關閉驅動器703以節(jié)省功率。反饋XTAL驅動器703生成工作周期信號以對XTAL 702處的振蕩的包絡線進行調(diào)制；并且振蕩控制單元705使用來自振蕩X_I 701和/或X_O 700的反饋周期地接通和/或關閉XTAL驅動器703，從而XTAL驅動器能夠關閉以節(jié)省功率，但是在振蕩停止之前及時地接通。例如，如圖7所示，當放大器/驅動器被啟用時(例如，在706)，振蕩的包絡線706的幅值增加；并且當放大器/驅動器被停用時(例如，在707)，振蕩包絡線706的幅值降低。因此，為了既節(jié)省功率又保持振蕩，振蕩控制單元705使用與振蕩信號包絡線(例如，701和700)相關的反饋信息來確保XTAL驅動器703及時回到接通狀態(tài)以保持振蕩，例如，當振蕩的包絡線的幅值衰減至最小值(例如，709)時接通放大器/XTAL驅動器703，而當振蕩的包絡線的幅值達到最大值時(例如，708)關閉放大器/XTAL驅動器703。采用這種方法，XTAL振蕩的包絡線的幅值可以在最小值709和最大值708之間振蕩，從而XTAL振蕩被維持。

圖8示出了根據(jù)一個實施例的使用反饋來使XTAL放大器周期地工作以在確保振蕩保持完好無損的同時節(jié)省功率的系統(tǒng)和方案的系統(tǒng)框圖和定時圖。在保持振蕩的幅值足夠高以使得接收器電路能夠檢測振蕩的同時周期地切換放大器801。當放大器801被停用時(例如，在806)，X_I 802處的振蕩將隨著時間常數(shù)(T_D)807一起衰減，時間常數(shù)(T_D)807由ESR(例如，圖1中的111)和Lm(例如，圖1中的109)確定。當放大器801在808期間再次被啟用時，XTAL振蕩的幅值隨著時間常數(shù)(T_G)809一起增長，時間常數(shù)(T_G)809由R_N-ESR和Lm確定。A.Shrivastava、R.Yadav和P.K.Rana的美國專利8120439，“Fast Start-up Crystal Oscillator(快速啟用晶體振蕩器)”，該專利通過引用的方式被結合。為了最佳的節(jié)省功率，放大器801應該被停用一與T_D 807成比例的時間并且啟用一與T_G 809成比例的時間，如圖8中所示。其它控制方案實施例是可能的，包括振蕩包絡線幅值或最大值/最小值與電壓參考的直接比較。

圖8中的反饋控制單元(標記為“OSC T_ON和T_OFF控制”)803測量T_G和T_D。當晶體振蕩器(XTAL)輸出的幅值穿過設置閾值時，基于振蕩器輸出頻率運行的計數(shù)器被啟用。計數(shù)器計數(shù)直到CI為止并且當晶體振蕩器輸出的幅值穿過較高的閾值時停止。這產(chǎn)生與T_G成比例的數(shù)字輸出脈沖。類似地，可獲得具有與T_D成比例的寬度C2的脈沖。反饋電路能夠產(chǎn)生具有時間段(C1+C2)的時鐘，C1作為高相寬度，C2作為低相寬度，如同圖8所示。提出的技術使得晶體振蕩器XTAL的放大器801能夠校準切換并且將功率減小至近1nW或以下。

圖9示出了根據(jù)一個實施例的用來測量T_G的電路(例如，電路實施可以是圖8中的振蕩控制單元803的部分)和示出了XTAL振蕩的包絡線的增長的幅值的定時圖。電路包括比較器901a-b和SR觸發(fā)器902a-b。閾值電壓V_REFH 905a(例如，對于V_DD＝0.3V時為220mV)和V_REFL 905b(例如對于V_DD＝0.3V時為200mV)被施加在對應的比較器的負端子處，而X_I被施加在每個比較器的正端子處。一旦振蕩的幅值超過V_REFL，上比較器901a的輸出變高，并且相對應的SR觸發(fā)器902a被設置。這將CountEn 906設置成高。使用這個信號來啟用計數(shù)器(未示出)，并且計數(shù)器開始計數(shù)。振蕩的幅值繼續(xù)增加。一旦振蕩穿過V_REFH 905a，下比較器901b變高，相對應的SR觸發(fā)器902b被設置并且設置CountEn 906被設置成零。這使計數(shù)器停止并且設置計數(shù)器的值，計數(shù)器的值與振蕩的增長成比例。計數(shù)器的值是數(shù)字的并且被存儲，同時圖9中的電路被停用以節(jié)省功率。提出的電路只在計數(shù)值被需要時消耗功率。

圖10示出了根據(jù)一個實施例的用于獲得振蕩器的T_D的電路實施(例如，電路實施可以是圖8中的振蕩控制單元803的部分)和示出了XTAL振蕩的包絡線的衰減幅值的定時圖。圖10中的電路與圖9中示出的用于獲得T_G的電路非常相似，除了包括兩個另外的D觸發(fā)器1002a-b來捕捉負觸發(fā)器之外。例如，當振蕩器的幅值衰減至V_REFH(1005a)以下時，下比較器1001b的輸出變低，并且相對應的SR觸發(fā)器1003b被設置并且因此D觸發(fā)器1002a被設置成高。這將CountEn 906設置成高以使計數(shù)器啟用并開始計數(shù)。當振蕩的幅值繼續(xù)衰減并且穿過V_REFL 1005b時，上比較器1001a變低，并且因此相對應的SR觸發(fā)器1003a被設置，并且D觸發(fā)器1002a具有與1002b的輸出值相同的輸出值。這樣，CountEn 906被設置成零。這使計數(shù)器停止并且設置計數(shù)器的值，計數(shù)器的值與振蕩的衰減成比例。

當X_I在V_REFH 1005a和V_REFL 1005b之間時也啟用計數(shù)的計數(shù)器。當放大器(例如，圖8中的801)被啟用時，獲得T_G(例如，圖8中的809)，而當放大器(例如，圖8中的801)被停用時，獲得T_D(例如，圖8中的807)。T_G和T_D都被數(shù)字地存儲并且它們相對應的電路被停用以節(jié)省功率。在獲得T_G和T_D之后，振蕩器控制(例如，圖8中的803)將放大器(例如，圖8中的801)接通一與T_D成比例的時間并且將它關閉一與T_G成比例的施加。放大器的這種周期工作節(jié)省了功率，并且反饋方案保護振蕩并確保振蕩保持完好無損。總功率消耗可以例如到1nW以下。

圖11示出了提出的晶體振蕩電路的示例的完整電路圖(例如，圖7-圖8中示出的XTAL電路的電路實施)。首先，在校準電路1101處執(zhí)行放大器(例如，圖8中的801)的校準。例如，可在制造后執(zhí)行一次或更經(jīng)常地執(zhí)行放大器的校準以補償環(huán)境改變。校準電路1101設置放大器的驅動強度并且補償過程變化或其它變化。在校準之后，時間常數(shù)生成電路1102獲得振蕩器的增長時間T_G和衰減時間T_D。這些時間常數(shù)被用來配置時鐘(DCCLK 1103)，以接通和關閉放大器。DCCLK 1103的工作周期由T_G和T_D確定，高時間＝T_G，低時間＝T_D。一旦DCCLK 1103被配置，時間常數(shù)生成電路1102被停用。類似地，在校準之后校準電路1101被停用，并且所有數(shù)字位被存儲。這免除了校準電路1101或時間常數(shù)發(fā)生電路1102的功率花費。由具有工作周期的放大器給定功率消耗。如果需要，時鐘緩沖器1105被用來將時鐘水平變換成較高的電壓。

圖12示出了XTAL驅動器的仿真結果的示例，例如示出了XTAL放大器的工作周期，該工作周期引起振蕩信號輸出的鋸齒包絡線并且節(jié)省功率。采用130nm的商業(yè)CMOS工藝制造來實施圖12中的示例的XTAL驅動器。波形示出電路以小于1nW的平均功率消耗和32.768kHz的頻率成功操作。例如，圖表1201示出具有幅值的工作周期的振蕩，并且圖表1202示出了在振蕩工作周期期間用于XTAL放大器的周期的使能信號(例如圖11中的DCCLK1103)。

圖13示出了根據(jù)一個實施例的用于校準XTAL驅動器以在包括亞閾值區(qū)的低電壓下操作的流程圖(例如，如同由圖2中的反饋控制單元202所執(zhí)行的)。在1301，反饋控制單元可以被包括在XTAL電路中以將XTAL驅動器偏置于低電壓(可以是亞閾值)，例如參見圖2中的反饋控制單元202。在1302，反饋控制單元能夠配置用于測量XTAL驅動器的特性的反饋電路(例如，參見圖2)的任何負載器件，并且之后在1304測量影響負電阻的XTAL驅動器的電路特性，例如電壓、電流和/或等等。在1304，反饋控制單元可以根據(jù)其它驅動器特性的需要重復步驟1302-1303以獲得不同驅動器特性，例如振蕩幅值等。在1305，基于測量值，控制反饋單元能夠調(diào)整影響它的負電阻的XTAL驅動器以設置能夠實現(xiàn)在低電壓下的正確振蕩的負電阻。

圖14示出了根據(jù)一個實施例的用于在堅持振蕩的同時使XTAL的驅動器周期地工作的流程圖(例如，如同圖7中的振蕩控制單元705或圖8中的803執(zhí)行的)。如同圖14所示，在1401，振蕩反饋控制單元(例如，圖7中的705；圖8中的803)可以測量XTAL振蕩包絡線的上升時間和下降時間(例如，參見圖7-圖8中的振蕩包絡線的上升和下降)。在1402，振蕩反饋控制單元可以使XTAL振蕩開始并且允許振蕩的幅值增加，例如通過達到最大振蕩幅值(例如，參見圖7中的708)。然后在1403，反饋控制單元可以關閉XTAL驅動器，以便節(jié)省功率；并且在1404，在XTAL驅動器在405再次接通之前等待一與測量的振蕩包絡線的下降時間成比例的時間。采用這種方法，反饋控制單元在振蕩停止(例如，在振蕩的幅值減小到零，或減小到足夠小的值從而接收器電路不能檢測到振蕩等之前)之前保持振蕩。然后在1406，控制單元可以等待一與測量的振蕩包絡線的上升時間成比例的時間，以等待振蕩包絡線的幅值到達最小值。在1407，可以采用重復的方式周期地執(zhí)行XTAL驅動器的接通和關閉，以便形成工作周期，以節(jié)省功率和保持振蕩。

圖15示出了根據(jù)另一個實施例的用于使XTAL周期地工作同時堅持振蕩的流程圖(例如，如同圖7中的振蕩控制單元705，或圖8中的803所執(zhí)行的)。與圖14中描繪的工作流程相類似，在1501，反饋控制單元可以使XTAL振蕩開始并且允許振蕩的幅值增加，并且可以在1502關閉XTAL驅動器以節(jié)省功率。然后在1503，控制單元可以測量XTAL包絡線直到XTAL振蕩包絡線達到范圍中的閾值或極限，例如圖7中的最小值709，并且然后在1504接通XTAL驅動器。然后在1505，控制單元可以測量XTAL包絡線直到它達到范圍中的最大閾值或極限，例如圖7中的最大值708。然后控制器單元可以監(jiān)測XTAL振蕩并且如同在步驟1502-1505中地重復接通/關閉XTAL驅動器。

總的來說，在一些實施例中，用于XTAL的放大器被偏置于亞閾值工況中。另外地或替代地，反饋控制方案可以被用來偏置用于偏置于亞閾值工況中的XTAL的放大器。

在一些實施例中，在XTAL振蕩的幅值開始衰減的同時，XTAL振蕩器的放大器能夠周期地工作以節(jié)省功率，但是放大器能夠回到接通狀態(tài)以在它停止之前維持振蕩。另外地或替代地，在XTAL振蕩的幅值開始衰減的同時，使XTAL振蕩器的放大器周期工作的反饋控制方案能夠被用來節(jié)省功率，并且放大器能夠回到接通狀態(tài)以在它停止之前維持振蕩。

文中描述的方法和設備中的一些意在能夠被軟件(存儲在存儲器中并且在硬件上執(zhí)行的軟件)、硬件或其組合執(zhí)行。例如，上述控制電路可替代地是在這類軟件和/或硬件中實施或包括這類軟件和/或硬件的控制模塊或控制裝置。硬件模塊可以包括，例如通用處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、和/或專用集成電路(ASIC)。(在硬件上執(zhí)行的)軟件模塊可以采用包括C、C++、Java^TM、Rudy、Visual Basic^TM和其它面向對象的、程序的、或其它編程語言的多種軟件語言(例如，計算機代碼)和開發(fā)工具表達。計算機代碼的示例包括但不限于微代碼或微指令、機器指令(例如被編譯器生成的)，用來生成網(wǎng)絡服務的代碼，和包含由計算機使用解釋器執(zhí)行的高級指令的文件。計算機代碼的另外的示例包括但不限于控制信號、加密代碼和壓縮代碼。

文中描述的一些實施例涉及具有永久計算機可讀介質(zhì)(也可被稱為永久處理器可讀介質(zhì))計算機存儲產(chǎn)品，永久計算機可讀介質(zhì)具有在其上的用于執(zhí)行多種計算機實施的操作的指令或計算機代碼。從它本身不包括暫時傳播信號(例如，在諸如空間或電纜的傳送介質(zhì)上攜帶信息的傳播電磁波)的意義上說，計算機可讀介質(zhì)(或處理器可讀介質(zhì))是永久的。媒介和計算機代碼(也可稱為代碼)可以是針對專用目的或多個專用目而設計和構建的那些媒介和代碼。永久計算機可讀介質(zhì)的示例包括但不限于磁性存儲媒介，例如硬盤、軟盤和磁帶；光學貯存媒介，例如壓縮磁盤/數(shù)字視頻光盤(CD/DVD)、壓縮磁盤只讀存儲器(CD-ROM)和全息裝置；磁光存儲媒介，例如光盤；載波信號處理模塊；和被專門配置成存儲和執(zhí)行程序代碼的硬件裝置，例如專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)、只讀存儲器(ROM)和隨機訪問存儲器(RAM)裝置。

盡管上面已經(jīng)描述的多種實施例，但是應理解的是，它們僅通過示例的方式展示，而非限制。在上面描述的方法和步驟表明某些事件以某個順序發(fā)生的情況下，可以修改某些步驟的順序。另外，當可能時，某些步驟可以采用并行處理的方式同時執(zhí)行，也可以如上所述的順序執(zhí)行。盡管多種實施例已經(jīng)被描述成具有特定特征和/或器件的組合，但是具有來自文中描述的任何實施例的任何特征和/或器件的任何組合或子組合的實施例是可能的。