一種頻率與溫度無關(guān)的片內(nèi)RC振蕩器設(shè)計

趙寶財, 趙宏亮, 趙建中

(1.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110031; 2.中國科學(xué)院微電子研究所 智能感知中心,北京 100029)

得益于通訊、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展,信息技術(shù)的不斷積累和半導(dǎo)體制造工藝的更新迭代,集更低成本、更低功耗以及更穩(wěn)定等眾多優(yōu)點于一體的片上系統(tǒng)[1](system on circuits,SoC)芯片逐漸成為芯片發(fā)展的一個重要方向。而為這些片上電子系統(tǒng)提供一個性能穩(wěn)定可靠的高精度時鐘模塊成了迫切需求。

晶體振蕩器、LC 振蕩器、環(huán)形振蕩器和RC振蕩器是最常用的4種振蕩器[2-4],其中:晶體振蕩器受電源電壓及溫度波動的影響極小,但是晶體振蕩器體積較大無法集成;LC振蕩器由于電感的存在,在標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝下實現(xiàn)需要增加額外的工藝步驟來提高片上電感的品質(zhì)因數(shù)Q,并且片上集成電感的面積也比較大,會導(dǎo)致成本大幅度增加;環(huán)形振蕩器方便采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造[5],芯片面積較小,成本也較低,但環(huán)形振蕩器有比較強的非線性,抗干擾能力差,功耗較大,其振蕩頻率受溫度變化影響明顯;RC振蕩器作為振蕩器的重要分支,由于其易于使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計制造,成本低廉、功耗較低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點一直備受人們關(guān)注,但RC振蕩器存在輸出頻率隨溫度變化的缺陷,難以達到足夠的精度并且輸出頻率較低,從而限制了其應(yīng)用范圍。

1 經(jīng)典RC振蕩器原理及誤差分析

RC振蕩器可分為電壓模和電流模2種,兩者振蕩頻率均基于 RC 時間常數(shù)確定。電流模 RC 振蕩器主要由2個鏡像比例為1∶1的電流源I1和I2、1對匹配性良好的NMOS管M1、M2、電阻、電容、時鐘緩沖器以及時鐘輸出buffer組成。雖然電流模RC振蕩器沒有比較器,但由于需要觸發(fā)時鐘buffer來切換電路狀態(tài),因此環(huán)路延時的影響依然不能忽略,要降低振蕩頻率的溫度系數(shù)[6-9],就必須對環(huán)路延時的溫度漂移進行補償。

電流模RC振蕩器的原理框圖如圖1所示,參考電壓Vref是電流I1流經(jīng)電阻R產(chǎn)生的壓降,初始態(tài)S1斷路,電流源I2對電容C充電,當(dāng)電容C兩端的壓降VC逐漸增大,直到VC等于Vref時,M2漏極電壓Vcom與 M1管的漏極電壓也相等,此時Vcom將觸發(fā)時鐘緩沖器,Vrst被拉到高電平,開關(guān)S1閉合,與此同時電容C對地迅速放電VC被置0,從而Vcom也下降,再次觸發(fā)時鐘緩沖器,Vrst被拉低,開關(guān)S1再次斷開,VC再次增大重復(fù)前述過程產(chǎn)生振蕩。

圖1 電流模RC振蕩器的原理框圖

由于時鐘緩沖器的輸出電壓Vrst是1個短暫的高電平脈沖,通過在其后面連接1個二分頻連接的D觸發(fā)器最終得到一個50%占空比的矩形波。

電流模RC 振蕩器的工作波形如圖2所示,振蕩周期為T=2(τRC+τD),其中:τRC為RC時間常數(shù);τD為環(huán)路延時。處于低頻工作的RC振蕩器,由于環(huán)路延時在振蕩器整個振蕩周期內(nèi)所占的比例較小,此時環(huán)路延時對振蕩器輸出頻率所帶來的不利影響不太明顯;然而當(dāng)振蕩器工作頻率較高時,環(huán)路延時在振蕩器整個振蕩周期內(nèi)所占的比例大大提高,此時環(huán)路延時對振蕩器輸出頻率的影響不能忽略,更糟糕的是環(huán)路延時與溫度變化具有很強的相關(guān)性,使得振蕩器的輸出頻率對溫度的變化影響很大,因此要提高輸出頻率的穩(wěn)定性,對環(huán)路延時的溫度漂移進行補償就變得尤為重要。

圖2 電流模RC振蕩器的工作波形圖

本文采用單相電流模 RC振蕩器拓撲結(jié)構(gòu),研究的重點是對電流模 RC振蕩器的非理想因素進行溫度補償,降低振蕩頻率的溫度漂移,使RC振蕩器在較高頻率工作時仍然能得到穩(wěn)定的輸出頻率,從而拓展RC振蕩器的應(yīng)用范圍。

2 頻率與溫度無關(guān)的片內(nèi)RC振蕩器設(shè)計

本文采用的溫度補償電流源I0的結(jié)構(gòu)主要包括:用于產(chǎn)生負溫度系數(shù)電流ICTAT的負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路;用于產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流IPTAT的正溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路;用于避免零電流簡并狀態(tài)的啟動電路;用于將正溫度系數(shù)電流和負溫度系數(shù)電流相加產(chǎn)生最終輸出電流Iref的電流輸出電路。溫度補償電流源電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 溫度補償電流源電路

其中產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流電路的工作原理是利用電路構(gòu)成負反饋時放大器正負輸入端虛短,即X和Y點的電壓相等的特點,設(shè)置M5和M6管子的尺寸相同,Q2的面積是Q1的n倍,由于VBE1與VBE2之差為一個正溫度系數(shù)電壓,因此便在電阻R2上得到了一個電流大小為IR2=(VT×lnn)/R2的正溫度系數(shù)電流。負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路的工作原理也是由于電路構(gòu)成負反饋,放大器正負輸入端虛短,X和Y點的電壓相等,M1與M2的柵電壓相等,即有VGNM1=VGM2=VX=VEB1,于是流過電阻R1上的電流大小為IR1=(VGM1-VGSM1)/R1=(VEB1-VGSM1)/R1,又VEB1具有負溫度系數(shù),因此IR1為負溫度系數(shù)電流,流過M3、M4的電流大小相等為IR1/2,且均為負溫度系數(shù)電流,最后通過電流疊加模塊將正負溫度系數(shù)電流以合適的比例疊加產(chǎn)生Iref輸出電流。

本文設(shè)計的頻率與溫度無關(guān)的單相電流模片內(nèi)RC振蕩器的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要分為溫度系數(shù)互補電流源I0、開關(guān)電容充放電回路、反相器比較延時單元以及時鐘輸出單元。

圖4 帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器電路圖

電路產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的原理是:初始上電時,電容C內(nèi)部儲存的電荷為0,INV1輸入低電平,輸出高電平,INV2、INV3的驅(qū)動能力依次增大,INV4的輸入為高電平記為clk-,輸出為低電平記為clk,此時電流源I0對電容C充電,隨著電容C內(nèi)的電荷增加INV1的輸入電平逐漸增大,此時clk-為高電平,clk為低電平,始終保持不變,當(dāng)電容C內(nèi)的電荷累積到使得INV1的輸入電平達到INV1的翻轉(zhuǎn)點時,INV1的輸出由之前的高電平被拉低到一個較低電平,INV1輸出的這個電平變化信息被之后的INV2和INV3逐級放大,使得INV4產(chǎn)生短暫的電平翻轉(zhuǎn)脈沖,即clk-為低電平、clk為高電平,這個短暫的翻轉(zhuǎn)脈沖使得電容C開始對地快速放電,INV1的輸入電平迅速降低到INV1的翻轉(zhuǎn)點以下,INV1的輸出由之前的低電平被拉高,這個拉高的信息再次經(jīng)過INV2和INV3放大使得clk變?yōu)楦唠娖?clk變?yōu)榈碗娖?電流源I0再次對C開始充電,如此往復(fù)循環(huán)。由于反相器比較延時單元的輸出電壓clk 的占空比很低,必須在clk后面接二分頻方式連接的D觸發(fā)器作為時鐘輸出單元,才能最終得到占空比50%的輸出頻率。

3 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計的頻率隨溫度變化極小的單相電流模片上RC振蕩器基于SMIC的0.18 μm CMOS工藝,電源電壓1.8 V,使用Spectre仿真工具對電路進行仿真驗證。

采用PSS仿真方式,分析帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器的輸出頻率隨溫度變化波形,如圖5所示,在-40～125 ℃溫度范圍內(nèi),帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器的輸出頻率在100 MHz附近,且隨溫度變化極小。

圖5 帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器輸出頻率的溫度特性曲線

本文所設(shè)計的電流模RC振蕩器輸出頻率的溫度特性見表1所列,從表1中可以看出,溫度范圍為-40～125 ℃,在TT工藝角下,振蕩器輸出頻率為100.06～100.16 MHz,輸出頻率隨溫度變化百分比為0.10%,用溫度系數(shù)表示為6.06×10-6℃-1;在SS工藝角下,振蕩器輸出頻率為99.90～100.23 MHz,輸出頻率隨溫度變化百分比為0.33%,用溫度系數(shù)表示為20.00×10-6℃-1;在FF 工藝角下,振蕩器輸出頻率為99.96～100.07 MHz,輸出頻率隨溫度變化百分比為0.11%,用溫度系數(shù)表示為6.67 ×10-6℃-1。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計的單相電流模片上RC振蕩器的輸出頻率對溫度變化不敏感。

表1 振蕩器輸出頻率變化范圍

在TT工藝角下進行瞬態(tài)仿真,得到振蕩器的輸出波形如圖6所示,仿真結(jié)果顯示本文所設(shè)計的帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器的輸出波形為方波,占空比為50%。

圖6 帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器的輸出波形

4 結(jié) 論

本文針對傳統(tǒng)RC振蕩器輸出頻率較低且隨溫度變化敏感的缺點,設(shè)計了一款單相電流模片上RC振蕩器。通過仿真驗證表明,本文所設(shè)計的帶溫度補償?shù)碾娏髂C振蕩器不但獲得了高達100 MHz的輸出頻率,而且在-40～125 ℃溫度范圍內(nèi)輸出頻率隨溫度變化極小,極大改善了經(jīng)典RC振蕩器的不足,拓展了RC振蕩器的應(yīng)用范圍。