一種調(diào)節(jié)供電進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔葧r(shí)鐘電路*

劉銘揚(yáng) ，王小松 ，劉 昱

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

參考時(shí)鐘于任何模數(shù)混合電路而言，都是尤為重要的組成部分。通常用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的方式有兩種：其一是使用片外晶體振蕩器、陶瓷振蕩器等，雖說(shuō)可以輸出恒定的頻率，卻難以避免地增加了整個(gè)系統(tǒng)的面積和成本；其二是設(shè)計(jì)片內(nèi)集成振蕩器，按照結(jié)構(gòu)類型的不同，又可以劃分為遲滯振蕩器、LC振蕩器和環(huán)形振蕩器[1]。

相較于其他幾種片內(nèi)集成振蕩器，環(huán)形振蕩器僅由奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)而成，其功耗較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且輸出頻率不受限，所以應(yīng)用范圍更廣。但環(huán)形振蕩器的輸出頻率更容易受到工藝參數(shù)、溫度和供電波動(dòng)帶來(lái)的影響，由此帶來(lái)很大的時(shí)鐘偏差[2]。如何對(duì)不可抗因素造成的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，以提高環(huán)振電路輸出頻率的可靠性與穩(wěn)定性，一直都是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫度補(bǔ)償?shù)钠瑑?nèi)時(shí)鐘振蕩器設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)[3-6]，大多使用包含運(yùn)算放大器的帶隙基準(zhǔn)源、額外的片內(nèi)電容、LDO穩(wěn)壓電路以及額外的補(bǔ)償電壓運(yùn)算電路等進(jìn)行補(bǔ)償。而本文基于SMIC 0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)出的高精度時(shí)鐘電路，無(wú)需繁冗的補(bǔ)償單元，僅憑借基準(zhǔn)電流源和超源跟隨器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，便足以產(chǎn)生對(duì)溫度自校準(zhǔn)的補(bǔ)償電壓，來(lái)控制環(huán)形振蕩器輸出穩(wěn)定的振蕩頻率，后又通過(guò)簡(jiǎn)單的倍壓?jiǎn)卧?，最終可輸出幅值為1.8 V、頻率穩(wěn)定在2 MHz、占空比為50%的時(shí)鐘信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。當(dāng)溫度變化為-40 ℃～85 ℃時(shí)，時(shí)鐘偏差小于1%。當(dāng)供電電壓由1.6 V波動(dòng)至2 V，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內(nèi)，時(shí)鐘輸出頻率的最大變化范圍僅為28 Hz。

圖1 帶溫度和工藝補(bǔ)償?shù)母呔葧r(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)框圖

1 環(huán)振及其溫度補(bǔ)償原理

1.1 環(huán)形振蕩器原理

最簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)而成，在設(shè)計(jì)中選取反相器個(gè)數(shù)為5個(gè)，如圖2所示。其振蕩頻率為：

圖2 五級(jí)反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器

td為每一級(jí)反相器的傳播延時(shí)，其定義如下：

其中Reqn和Reqp分別為NMOS和PMOS的導(dǎo)通電阻:

為方便計(jì)算，假設(shè)NMOS管與PMOS管的寄生電容與導(dǎo)通電阻相同，則有:

1.2 溫度對(duì)環(huán)形振蕩器輸出頻率的影響

環(huán)形振蕩器輸出頻率受溫度的影響主要來(lái)源于載流子遷移率與閾值電壓對(duì)溫度的依賴關(guān)系。

從文獻(xiàn)[7]中，可以得到載流子遷移率與過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓隨溫度變化的關(guān)系如下：

VTH(T)=VTH(T0)[1+TCVTH·(T-T0)](6)

由此得出修正后的振蕩頻率公式如下：

溫度與環(huán)形振蕩器輸出頻率呈負(fù)相關(guān)，溫度越高，環(huán)形振蕩器輸出頻率越低。仿真圖2中環(huán)形振蕩器輸出頻率隨溫度的變化，所得結(jié)果如圖3所示。當(dāng)溫度由-40 ℃變化到85 ℃時(shí)，該環(huán)形振蕩器輸出頻率的最大差值可達(dá)到993 kHz，頻率偏差最高達(dá)到49.7%。

圖3 五級(jí)環(huán)形振蕩器頻率隨溫度變化曲線

文獻(xiàn)[8]以反相器輸出電壓的下降時(shí)間為切入點(diǎn)，推導(dǎo)出另外一種振蕩頻率的表達(dá)公式：

由式(9)可知，當(dāng)VDD增加時(shí)，環(huán)形振蕩器的輸出頻率也會(huì)隨著增加，仿真圖2中的環(huán)形振蕩器，得到頻率隨供電波動(dòng)的變化如圖4所示。

圖4 供電對(duì)環(huán)形振蕩器輸出頻率的影響

供電與環(huán)形振蕩器輸出頻率呈正相關(guān)，而溫度與環(huán)形振蕩器輸出頻率成負(fù)相關(guān)，這為我們提供溫度補(bǔ)償?shù)乃悸罚磳DD更換為與溫度呈正相關(guān)的VCTRL，隨著溫度增加，VCTRL增加，控制環(huán)形振蕩器輸出頻率增加，以補(bǔ)償溫度增加造成的環(huán)形振蕩器輸出頻率衰減。

2 調(diào)節(jié)供電進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔葧r(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度補(bǔ)償單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償單元由自啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電流源、超源跟隨器三部分組成，其電路原理圖如圖5所示。

設(shè)置合適的寬長(zhǎng)比，使NM3和NM4工作在亞閾值區(qū)，流經(jīng)R1的電流IR1可表示為[9]：

其中VT=KT/q。

取NM4的寬長(zhǎng)比為NM3的N倍，則有：

從而得到：

可以發(fā)現(xiàn)，IR1是一個(gè)與溫度正相關(guān)的IPART電流，該電流以1：1的關(guān)系鏡像至R2，可以推導(dǎo)出：

展開(kāi)VR2可得出：

由式(14)可以得到VR2是一個(gè)正溫度系數(shù)電壓，且與溫度呈線性關(guān)系，通過(guò)調(diào)節(jié)R1、R2、N，即可以補(bǔ)償溫度變化為時(shí)鐘電路帶來(lái)的偏差。

流經(jīng)PM4、NM5、NM7的電流為IR1的等比復(fù)制，調(diào)整NM8的寬長(zhǎng)比，使流經(jīng)NM8的電流也等于IR1，即有|Vdsatp6|=Vdsatn8，展開(kāi)Vsgp6可以得到：

圖5 溫度及工藝補(bǔ)償單元電路圖

由式(16)可知，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)NM8管的尺寸，可以調(diào)整Vsgp6，以調(diào)整VCTRL的值，既而消去溫度及工藝偏差引發(fā)的閾值電壓變化。

同時(shí)超源跟隨器置于基準(zhǔn)電流源與環(huán)形振蕩器間，可起到緩沖作用，降低設(shè)計(jì)中對(duì)R2的阻值要求，但NM6、NM8構(gòu)成了負(fù)反饋，必要時(shí)可以增加米勒補(bǔ)償電容CM來(lái)提高環(huán)路的穩(wěn)定性。

將式(9)中的VDD替換為VCTRL可得到本設(shè)計(jì)中的振蕩頻率公式。

此外針對(duì)實(shí)際制造過(guò)程中的工藝偏差，可通過(guò)修調(diào)基準(zhǔn)電壓源中R1的電阻值以消去工藝偏差引發(fā)的環(huán)振頻率變化[10]。

2.2 倍壓?jiǎn)卧脑O(shè)計(jì)

環(huán)形振蕩器輸出信號(hào)的幅值與VCTRL相等，若想作為時(shí)鐘信號(hào)后續(xù)用于數(shù)?；旌想娐分?，需對(duì)其進(jìn)行一個(gè)抬升，圖6所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的倍壓電路原理圖，需注意將PM1的襯底連接至VDD以避免寄生PN結(jié)的導(dǎo)通[10]。

圖6 倍壓電路

3 電路仿真和測(cè)試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的帶有溫度和工藝補(bǔ)償?shù)母呔葧r(shí)鐘電路基于SMIC 0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行仿真測(cè)試以驗(yàn)證正確性。

將溫度掃描范圍定義為-40 ℃～85 ℃，仿真時(shí)鐘頻率fCLK隨溫度的變化曲線如圖7所示，時(shí)鐘頻率穩(wěn)定在2 MHz，最大變化范圍為19 kHz，時(shí)鐘偏差小于1%。

圖7 時(shí)鐘頻率隨溫度的變化曲線

分別在1.6 V、1.8 V、2.0 V三種供電下進(jìn)行-40 ℃～85 ℃的溫度掃描，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。時(shí)鐘頻率穩(wěn)定在2 MHz，時(shí)鐘輸出頻率最大變化范圍為28 Hz。

圖8 不同供電下時(shí)鐘頻率隨溫度的變化曲線

本文同其他文獻(xiàn)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示，可以看出，相較于其他文獻(xiàn)，本文的電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，補(bǔ)償效果也更優(yōu)。

表1 本文與其他文獻(xiàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔葧r(shí)鐘電路，時(shí)鐘的振蕩頻率不受溫度及工藝波動(dòng)的影響。仿真結(jié)果表明，溫度從-40 ℃變化到85 ℃時(shí)，時(shí)鐘頻率最大變化僅為19 kHz，時(shí)鐘偏差小于1%；當(dāng)供電電壓由1.6 V變化到2.0 V時(shí)，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內(nèi)，頻率變化最大值僅為28 Hz，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易與其他模數(shù)混合電路集成。