赵宝财, 赵宏亮, 赵建中
(1.辽宁大学 物理学院,辽宁 沈阳 110031; 2.中国科学院微电子研究所 智能感知中心,北京 100029)
得益于通讯、物联网、传感器和生物医学等领域的不断发展,信息技术的不断积累和半导体制造工艺的更新迭代,集更低成本、更低功耗以及更稳定等众多优点于一体的片上系统[1](system on circuits,SoC)芯片逐渐成为芯片发展的一个重要方向。而为这些片上电子系统提供一个性能稳定可靠的高精度时钟模块成了迫切需求。
晶体振荡器、LC 振荡器、环形振荡器和RC振荡器是最常用的4种振荡器[2-4],其中:晶体振荡器受电源电压及温度波动的影响极小,但是晶体振荡器体积较大无法集成;LC振荡器由于电感的存在,在标准互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺下实现需要增加额外的工艺步骤来提高片上电感的品质因数Q,并且片上集成电感的面积也比较大,会导致成本大幅度增加;环形振荡器方便采用标准CMOS工艺制造[5],芯片面积较小,成本也较低,但环形振荡器有比较强的非线性,抗干扰能力差,功耗较大,其振荡频率受温度变化影响明显;RC振荡器作为振荡器的重要分支,由于其易于使用标准CMOS工艺设计制造,成本低廉、功耗较低、结构简单等优点一直备受人们关注,但RC振荡器存在输出频率随温度变化的缺陷,难以达到足够的精度并且输出频率较低,从而限制了其应用范围。
RC振荡器可分为电压模和电流模2种,两者振荡频率均基于 RC 时间常数确定。电流模 RC 振荡器主要由2个镜像比例为1∶1的电流源I1和I2、1对匹配性良好的NMOS管M1、M2、电阻、电容、时钟缓冲器以及时钟输出buffer组成。虽然电流模RC振荡器没有比较器,但由于需要触发时钟buffer来切换电路状态,因此环路延时的影响依然不能忽略,要降低振荡频率的温度系数[6-9],就必须对环路延时的温度漂移进行补偿。
电流模RC振荡器的原理框图如图1所示,参考电压Vref是电流I1流经电阻R产生的压降,初始态S1断路,电流源I2对电容C充电,当电容C两端的压降VC逐渐增大,直到VC等于Vref时,M2漏极电压Vcom与 M1管的漏极电压也相等,此时Vcom将触发时钟缓冲器,Vrst被拉到高电平,开关S1闭合,与此同时电容C对地迅速放电VC被置0,从而Vcom也下降,再次触发时钟缓冲器,Vrst被拉低,开关S1再次断开,VC再次增大重复前述过程产生振荡。
图1 电流模RC振荡器的原理框图
由于时钟缓冲器的输出电压Vrst是1个短暂的高电平脉冲,通过在其后面连接1个二分频连接的D触发器最终得到一个50%占空比的矩形波。
电流模RC 振荡器的工作波形如图2所示,振荡周期为T=2(τRC+τD),其中:τRC为RC时间常数;τD为环路延时。处于低频工作的RC振荡器,由于环路延时在振荡器整个振荡周期内所占的比例较小,此时环路延时对振荡器输出频率所带来的不利影响不太明显;然而当振荡器工作频率较高时,环路延时在振荡器整个振荡周期内所占的比例大大提高,此时环路延时对振荡器输出频率的影响不能忽略,更糟糕的是环路延时与温度变化具有很强的相关性,使得振荡器的输出频率对温度的变化影响很大,因此要提高输出频率的稳定性,对环路延时的温度漂移进行补偿就变得尤为重要。
图2 电流模RC振荡器的工作波形图
本文采用单相电流模 RC振荡器拓扑结构,研究的重点是对电流模 RC振荡器的非理想因素进行温度补偿,降低振荡频率的温度漂移,使RC振荡器在较高频率工作时仍然能得到稳定的输出频率,从而拓展RC振荡器的应用范围。
本文采用的温度补偿电流源I0的结构主要包括:用于产生负温度系数电流ICTAT的负温度系数电流产生电路;用于产生正温度系数电流IPTAT的正温度系数电流产生电路;用于避免零电流简并状态的启动电路;用于将正温度系数电流和负温度系数电流相加产生最终输出电流Iref的电流输出电路。温度补偿电流源电路结构如图3所示。
图3 温度补偿电流源电路
其中产生正温度系数电流电路的工作原理是利用电路构成负反馈时放大器正负输入端虚短,即X和Y点的电压相等的特点,设置M5和M6管子的尺寸相同,Q2的面积是Q1的n倍,由于VBE1与VBE2之差为一个正温度系数电压,因此便在电阻R2上得到了一个电流大小为IR2=(VT×lnn)/R2的正温度系数电流。负温度系数电流产生电路的工作原理也是由于电路构成负反馈,放大器正负输入端虚短,X和Y点的电压相等,M1与M2的栅电压相等,即有VGNM1=VGM2=VX=VEB1,于是流过电阻R1上的电流大小为IR1=(VGM1-VGSM1)/R1=(VEB1-VGSM1)/R1,又VEB1具有负温度系数,因此IR1为负温度系数电流,流过M3、M4的电流大小相等为IR1/2,且均为负温度系数电流,最后通过电流叠加模块将正负温度系数电流以合适的比例叠加产生Iref输出电流。
本文设计的频率与温度无关的单相电流模片内RC振荡器的整体结构如图4所示,主要分为温度系数互补电流源I0、开关电容充放电回路、反相器比较延时单元以及时钟输出单元。
图4 带温度补偿的电流模RC振荡器电路图
电路产生稳定振荡的原理是:初始上电时,电容C内部储存的电荷为0,INV1输入低电平,输出高电平,INV2、INV3的驱动能力依次增大,INV4的输入为高电平记为clk-,输出为低电平记为clk,此时电流源I0对电容C充电,随着电容C内的电荷增加INV1的输入电平逐渐增大,此时clk-为高电平,clk为低电平,始终保持不变,当电容C内的电荷累积到使得INV1的输入电平达到INV1的翻转点时,INV1的输出由之前的高电平被拉低到一个较低电平,INV1输出的这个电平变化信息被之后的INV2和INV3逐级放大,使得INV4产生短暂的电平翻转脉冲,即clk-为低电平、clk为高电平,这个短暂的翻转脉冲使得电容C开始对地快速放电,INV1的输入电平迅速降低到INV1的翻转点以下,INV1的输出由之前的低电平被拉高,这个拉高的信息再次经过INV2和INV3放大使得clk变为高电平,clk变为低电平,电流源I0再次对C开始充电,如此往复循环。由于反相器比较延时单元的输出电压clk 的占空比很低,必须在clk后面接二分频方式连接的D触发器作为时钟输出单元,才能最终得到占空比50%的输出频率。
本文设计的频率随温度变化极小的单相电流模片上RC振荡器基于SMIC的0.18 μm CMOS工艺,电源电压1.8 V,使用Spectre仿真工具对电路进行仿真验证。
采用PSS仿真方式,分析带温度补偿的电流模RC振荡器的输出频率随温度变化波形,如图5所示,在-40～125 ℃温度范围内,带温度补偿的电流模RC振荡器的输出频率在100 MHz附近,且随温度变化极小。
图5 带温度补偿的电流模RC振荡器输出频率的温度特性曲线
本文所设计的电流模RC振荡器输出频率的温度特性见表1所列,从表1中可以看出,温度范围为-40～125 ℃,在TT工艺角下,振荡器输出频率为100.06～100.16 MHz,输出频率随温度变化百分比为0.10%,用温度系数表示为6.06×10-6℃-1;在SS工艺角下,振荡器输出频率为99.90～100.23 MHz,输出频率随温度变化百分比为0.33%,用温度系数表示为20.00×10-6℃-1;在FF 工艺角下,振荡器输出频率为99.96～100.07 MHz,输出频率随温度变化百分比为0.11%,用温度系数表示为6.67 ×10-6℃-1。仿真结果表明,本文设计的单相电流模片上RC振荡器的输出频率对温度变化不敏感。
表1 振荡器输出频率变化范围
在TT工艺角下进行瞬态仿真,得到振荡器的输出波形如图6所示,仿真结果显示本文所设计的带温度补偿的电流模RC振荡器的输出波形为方波,占空比为50%。
图6 带温度补偿的电流模RC振荡器的输出波形
本文针对传统RC振荡器输出频率较低且随温度变化敏感的缺点,设计了一款单相电流模片上RC振荡器。通过仿真验证表明,本文所设计的带温度补偿的电流模RC振荡器不但获得了高达100 MHz的输出频率,而且在-40～125 ℃温度范围内输出频率随温度变化极小,极大改善了经典RC振荡器的不足,拓展了RC振荡器的应用范围。
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