圖2示出了所呈現(xiàn)的SITIME晶振頻率比引擎的塊級(jí)架構(gòu).它由一個(gè)以ClkTF為參考的模擬小數(shù)N分頻PLL組成,嵌套在一個(gè)以ClkTS為參考的數(shù)字PLL中.假設(shè)固定的fTF,模擬PLL的行為類似于DCO,因?yàn)槠漭敵鲱l率fDCO由分?jǐn)?shù)分頻器輸入值DCOin設(shè)置,DCOin是數(shù)字?jǐn)?shù)字.于是

fDCO=fTF×DCOin。（7）

另一方面，數(shù)字PLL采用10的反饋分頻值，因此

fDCO=fTS×10.（8）

因此，通過組合（7）和（8），分?jǐn)?shù)分頻器輸入值表示為

DCOin=10×fTS/fTF。（9）

圖一

反饋回路迫使DCOin始終是輸入時(shí)鐘頻率的縮放比率。因此，可以通過后處理DCOin值來讀出溫度。與圖1類似，模擬PLL的5070壓控晶體振蕩器（VCO）是數(shù)字相位量化器中使用的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的一部分。振蕩的頻率越高，數(shù)字PFD注入環(huán)路的噪聲就越小。根據(jù)第IV節(jié)中描述的噪聲分析，除數(shù)值10使得分辨率目標(biāo)可以在不對(duì)數(shù)字PFD施加過多復(fù)雜性的情況下實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將VCO功耗保持在合理范圍內(nèi)。由于該溫度傳感器旨在補(bǔ)償MEMSTF頻率變化，如圖2所示，其輸出被適當(dāng)?shù)乜s放以表現(xiàn)出跨溫度的fTF誤差的逆特性。為此，DCOin應(yīng)用于數(shù)字模塊，即所謂的TDC數(shù)據(jù)路徑，由數(shù)字seveth-order多項(xiàng)式和低通濾波器組成?；趦蓚€(gè)進(jìn)口無源諧振器的非線性水平和目標(biāo)輸出頻率穩(wěn)定性來選擇多項(xiàng)式階數(shù)。在通過溫度表征諧振器之后，還為每個(gè)器件單獨(dú)設(shè)置其系數(shù)。低通濾波器將TDC的噪聲降低到所需的BW以上。

圖二

TDC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)是頻率比發(fā)動(dòng)機(jī)具有足夠高的BW以跟蹤快速溫度變化，同時(shí)對(duì)近距離的TDC輸出噪聲具有可忽略的影響。圖3示出了圖2中所示的頻率比引擎的塊級(jí)模型，以及系統(tǒng)中存在的主要噪聲源。如前所述，數(shù)字PLL由時(shí)鐘分頻器，作為PFD工作的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，數(shù)字環(huán)路濾波器L(z)和DCO組成。數(shù)字環(huán)路貼片濾波器輸出是頻率比引擎的輸出，它跟蹤由于環(huán)境溫度波動(dòng)而發(fā)生的數(shù)字PLL BW內(nèi)的ClkTS的相位變化。因此，考慮該回路的5kHz的BW以確保發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于目標(biāo)溫度傳感器BW足夠快。DCO是模擬小數(shù)N分頻PLL，包括XORPFD，環(huán)路SAW濾波器，分?jǐn)?shù)分頻器和VCO。

圖三

除了ClkTF PN之外，調(diào)制器量化噪聲以及VCO PN是DCO輸出噪聲的主要貢獻(xiàn)者。在這種設(shè)計(jì)中，采用三階調(diào)制器來降低分?jǐn)?shù)分頻器的帶內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)，并且還增加DCO的遠(yuǎn)端噪聲功率，實(shí)際上DCO輸出時(shí)鐘邊緣更多，因此提高了后續(xù)時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的有效分辨率。圖4顯示了主要的噪聲源及其在頻率和傳遞函數(shù)上的形狀，朝向TDC輸出，其中

Adco(f)=vdd/2π×H(s)×Kvco/jf×1/Nnom（10）

Gdco=Adco/(1+Adco)（11）

圖四

其中Adco(f)是模擬PLL環(huán)路增益，vdd是PFD的電源電壓，H(s)是環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)，Nnom是模擬PLL標(biāo)稱分頻值，而Gdco(f)是基函數(shù)由Adco(f)定義。由于Adco(f)具有在原點(diǎn)具有極點(diǎn)的低通行為，因此Gdco(f)也具有低通濾波器的形狀，具有DCO環(huán)路fdco的BW，大約2MHz。DCO傳遞函數(shù)可表示為

Hdco(f)=fTF×Gdco(f)×1/jf（12）

類似地，可以找到數(shù)字PLL環(huán)路增益

Atdc(f)=TTS/2π×L(s)×Hdco(f)×1/Ndiv（13）

Gtdc(f)=Atdc/(1+Atdc)（14）

其中L(s)是拉普拉斯域中的數(shù)字環(huán)路濾波器傳遞函數(shù),Ndiv是除法值，在本設(shè)計(jì)中設(shè)置為10，Gtdc(f)是由Atdc(f)定義的基函數(shù).根據(jù)Atdc(f)的定義,Gtdc(f)具有低通濾波器形狀，其BW等于數(shù)字PLL BW ftdc,約為5kHz.就溫度傳感器而言，低于100Hz的輸出噪聲功率非常重要。在圖3所示的噪聲源中，調(diào)制器噪聲和VCO PN對(duì)該范圍內(nèi)的輸出噪聲的影響最小。