随着可穿戴设备和物联网技术的迅猛发展,无线传输节点芯片的应用越来越广泛,这类节点一般采用电池供电,而电池存储容量有限,为了保证长时间工作,对节点芯片的功耗提出了极高的要求。为了节约能量,无线传感节点的工作模式由短暂的激活操作和长时间的空闲状态组成,实时时钟作为空闲状态下的常开电路,用于唤醒系统、系统调度和同步传感节点,其功耗决定着节点的总功耗。由于较高的频率稳定性,石英晶体振荡器被广泛应用于实时时钟电路中,是实时时钟电路功耗的重要来源,无线传输节点一般采用3V电池供电,无法直接为晶体振荡器提供低电压,为了降低实时时钟的功耗,本文设计了一种常规电压下的低功耗晶体振荡器。本文系统阐述了基于自充电方法的低功耗晶体振荡器的基本原理和实现方法。从石英晶体模型入手,对石英晶体的特性、皮尔斯振荡器以及自充电方法中的关键技术进行了详细介绍;为了能够在常规电压下工作,设计基准电流源驱动皮尔斯振荡器,并且采用差分放大器代替偏置电阻,大大减少版图面积;为了解决功耗与起振时间的矛盾,设计启动电路使得晶体振荡器快速起振,之后关闭启动电路来节约能量;最后为了进一步降低功耗,利用晶体振荡器输出的时钟信号产生周期性脉冲信号控制放大器的开启关闭,并且设计测试电路测定振荡的增长时间和消散时间,寻找脉冲信号周期和占空比的最优值。在电路原理分析及子电路设计的基础上,本设计基于GF130nm工艺,在Cadence集成环境下完成了低功耗晶体振荡器电路各个子模块及整体电路的原理图、版图的设计与验证,版图面积为0.014mm~2。仿真结果表明:晶体振荡器可以在-20~85℃温度范围内正常工作,在电源电压为3V、TT工艺角、25℃下电路的工作电流为8.48nA,在-20~85℃温度范围内的频率偏差为-3.62~-175.98ppm,在2.9~3.1V电压范围内频率的电压稳定性为52.45ppm/V。