TDC的输出可以补偿TCXO晶振温度范围的变化

SiTime的独特工艺是实现极其稳定的MEMS谐振器的关键因素之一，它在晶圆加工过程中密封了谐振器，无需密封陶瓷封装。SiTime的谐振器不受大气中最高浓度元素氮和氧的影响，因此可作为完美密封。前几代EpiSeal谐振器可能受到大量小分子气体的影响。较新的EpiSeal谐振器不受所有小分子气体的影响。

DCO是一个3阶小数N分频PLL，设计用于2MHz带宽，由基于XOR的PFD，2阶环路滤波器和9级环形振荡器组成。如图1的简化框图所示，DPLL包括数字相位量化器和环路滤波器。数字PFD采用由4b计数器组成的粗量化器，它计算VCO输出的每个上升沿，以及由9个仲裁器组成的精细量化器，它对环形振荡器的所有相位进行采样。ClkTS的每个上升沿锁存粗略和精细量化器输出。由于仅使用环形石英晶体振荡器的内部节点的上升沿，所以量化步长是VCO周期的1/9。 VCO在ClkTS周期内行进的总相位是通过将两个连续锁存的量化器输出的差值相加来测量的，而粗略值则乘以9.该值从表示数字常数的数字常数（STEP=90）中减去在每个样本的锁定条件下所需的VCO相位增量。然后将其馈送到积分器和5kHz BW数字环路。环路滤波器的输出包含温度信息，用于控制DCO频率并在TDC数据路径中处理后修改PFM值。

由于TDC输出应精确补偿ClkTF在整个温度范围内的变化，因此其静态增益必须约为-1ppm/K.图2显示，在1s积分时，振荡器频率的ADEV约为8×10-11。鉴于振荡器ADEV不受TDC支配，TDC噪声ADEV必须小于80μK。由于TDC的分辨率在几十μK的水平，由于测量装置和气候室中存在各种源和贴片晶振片外热漂移，因此直接测量它具有挑战性。因此，相反地从TDC对输出时钟晶振PN的测量噪声贡献估计分辨率。在TCXO晶振模式中，TDC噪声不会在整个频谱上显着影响PN。但是，关闭TDC数据路径中的椭圆滤波器会导致频率范围为300Hz到8kHz的PN凸起，如图2所示。为了测量TDC对PN的贡献，TDC数据通路增加了26dB。这可以通过测量凸起的PN增量的量来验证。该方法将对输出时钟PN的TDC噪声贡献增加到可测量的值。TDC输出与温度之间的确切关系是通过将温度上升到一个小范围内来确定的，并观察所得到的振荡器漂移与增加的TDC，如图2所示。基于此校准，发现TDC的分辨率在130Hz BW中小于40μK（rms）。

如图3所示，TCXO晶振器件在-40到+85°C的温度范围内具有<±100ppb的输出时钟频率稳定性，而对于XO器件则在100ppm以下变化。图3还包括9个温度循环的滞后测量。由于测量设置的原因，滞后窗口<30ppb，主要由上下温度斜坡之间约15°C的温度偏移控制。

TDC的性能列于图4，并与之前报道的高分辨率TDC进行了比较。如图所示，所描述的TDC将现有普通有源晶振技术的分辨率提高了2倍以上，但转换时间缩短了25倍。得到的分辨率FOM为0.12pJK2，比现有技术好大约5倍。图5显示了原型传感器的芯片显微照片，其中MEMS谐振器芯片被翻转并连接到0.18μmCMOS芯片上。测得整个芯片电流（在20MHz输出频率，空载时）约为48mA。在1.6V电源下，TDC（包括模拟和数字电路）以及两个振荡器的维持电路消耗约12mA，其中TDC模拟和数字部分分别估计为1.5mA和2mA.