用于XO唤醒定时器的低功耗数字温度补偿技术

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：Low-Power Digital Temperature Compensation Technique for XO Wake-Up Timers

数字补偿方法提升晶体振荡器唤醒计时器精度研究。针对低功耗无线IoT设备中温度变化导致的晶体振荡器（XO）频率偏移问题，提出动态调整数字计数器阈值与Delta-Sigma调制结合的补偿方案，采用线性分段近似和SAR方法替代传统除法运算，实验表明单点校准结合自适应补偿可将时间误差从64.7ppm降至3.6ppm，系统功耗降低37.2%（5.07%）。

　　

摘要：

对于低功耗的无线物联网（IoT）设备而言，一个精确的唤醒定时器至关重要。尽管通过占空比控制可以最小化功耗，但与基站或其他设备的同步仍需要定期激活设备。唤醒定时器的不准确性会导致设备在预期同步时间附近的活跃时间延长，从而增加能耗，这在高占空比操作中尤为关键。本文提出了一种低功耗的数字补偿方法，以提高基于晶体振荡器（XO）的唤醒定时器在不同温度下的准确性。该方法在每次唤醒时动态调整数字计数器的阈值，以补偿由于温度变化引起的XO频率偏移。ΔΣ调制进一步减少了分数时间校正时的量化噪声。通过在现有的低功耗微型IoT系统上测试该技术（该系统配备了指数温度传感器），采用了两种关键策略：1）将补偿曲线近似为线性段以简化计算；2）用逐次逼近（SAR）方法替代计算量较大的除法操作。这些方法通过单点室温校准结合自适应温度补偿，将系统的时间偏移误差从64.7 ppm降低到3.6 ppm，功耗开销仅为7.92%（8.22 nW的补偿电路 + 5.58 nW的XO）。此外，定制的数字补偿电路将系统功耗开销进一步降低到5.07%（3.24 nW的补偿电路 + 5.58 nW的XO）。与使用模拟方法的先进温度补偿晶体振荡器（TCXO）相比，所提出的设计在满足所需时间误差规格的同时，将功耗降低了约2.37倍。

引言

随着对便携式设备需求的增长，对于能量有限的无线物联网（IoT）设备来说，最小化功耗对于延长其使用寿命至关重要[1]。通过占空比控制，无线电设备和传感器仅在短暂时间内处于活跃状态以处理数据，然后返回低功耗的睡眠状态，从而有效延长电池寿命[2]。在这样的系统中（如图1所示），始终处于激活状态的唤醒定时器对于确定设备在睡眠状态和活跃状态之间的切换时间至关重要。定时器的准确性会影响避免通信丢失所需的保护时间，进而影响接收站在进行同步和数据接收时的能耗。然而，在低功耗下保持高定时精度是非常具有挑战性的。

图1. 唤醒时间误差对与节点同步的接收器所需活跃功率的影响。