物联网应用中无晶体时钟生成与校准技术在被动式BLE标签芯片中的应用

《IEEE Microwave and Wireless Technology Letters》：Crystal-Less Clock Generation and Calibration for Passive BLE Tag Chips in IoT Applications

低功耗被动BLE标签采用弛豫振荡器生成参考信号，经电荷泵锁相环倍频后设计多模式校准电路提升精度，在0.18μm工艺下实现1.58μW功耗、0.0875mm2面积，测试验证与商业BLE设备兼容。

　　

摘要：

本文提出了一种创新的片上时钟生成和校准方案，专为无源蓝牙低能耗（BLE）标签芯片设计。虽然晶体振荡器适用于传统的主动BLE系统，但其高功耗和有限的集成度限制了无源BLE系统的发展。我们采用了一种低功耗、低温漂移小的弛豫振荡器来生成低频参考信号，然后通过电荷泵相位锁定环（CPPLL）将该信号放大，以产生所需的时钟信号。为了解决由于非理想因素（如工艺变化以及与商用BLE协议兼容所需的1000 ppm基带数据速率容差）导致的时钟偏差，我们设计了一个支持多种校准过程的校准电路，以提高时钟精度。该电路采用台积电（TSMC）的0.18微米工艺技术制造，功耗仅为1.58 μW，能效比为0.79 nW/kHz，占用面积仅为0.0875平方毫米。最终测试结果符合预期，证实该标签能够与商用智能接收设备有效通信。

引言

与主动蓝牙低能耗（BLE）收发器相比，采用反向散射通信方式的无源蓝牙（PBLE）标签[1]（见图1）在物联网（IoT）应用中具有显著优势，如超低功耗、更高的集成度、更低的维护成本以及更简单的部署方式——这一切都得益于它们无需使用晶体振荡器的时钟生成方案。然而，为了保持与标准BLE协议的兼容性并扩展应用场景，PBLE标签必须满足1000 ppm的基带数据速率容差要求[2]，经验研究表明偏差低于4‰是可以接受的。以往的研究主要集中在传统的无源RFID片上时钟电路[3][4]上，这些电路的时钟偏差通常高达22%，远超协议要求。尽管某些设计通过片上校准实现了更高的精度[5]，但会带来较大的功耗开销。因此，现有的PBLE原型通常仍依赖晶体振荡器来生成时钟[6]，从而削弱了它们固有的低功耗和高集成度优势。因此，为PBLE标签开发一种无需晶体振荡器的高精度时钟解决方案既是一个关键挑战，也是一个重要的创新机会。

图1. 主动BLE收发器与无源BLE标签的对比。