一種帶有自動校準機制的超低功耗RC振蕩器設計

鐘翔宇 ，沈婧雯 ，王 寧 ，陳運生 ，李彥武

（1.國網湖南省電力公司信息通信公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410002；3.國家電網公司信息通信分公司，北京100761）

隨著電子科技水平的高速發展，集成電路芯片已廣泛應用于醫療、金融、消費等各個領域。各類電子產品，比如手機、手持娛樂設備等，對于性能和功耗的要求越來越高，運算速度、運行功耗、設備續航時間指標等已經成為電子產品的核心考量要素。因此高性能集成電路芯片，特別是超高速、超低壓、低功耗的集成電路芯片己經成為電路領域的研究熱點。振蕩器作為電路系統中一種非常基本，同時十分重要的電路，也在朝著高速、低功耗的方向發展[1-6]。

振蕩器通常在通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。一般而言，振蕩電路主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。LC振蕩器特點是起振速度快，增益大，功耗高，一般應用于GHz甚至10 GHz等高頻場合。晶體振蕩器穩定度高，選頻效果好，體積小，因此廣泛作為時鐘參考源，提供低頻基準信號。RC振蕩器特點是工作頻率較低，功耗低，易于片內集成，缺點是頻率穩定度較差，頻率波動范圍大。因此，目前RC振蕩器主要廣泛應用于數字電路芯片時鐘信號的產生[5-8]。

1 傳統RC振蕩器

如圖1所示為傳統RC振蕩器電路圖。輸入參考電壓Vref經過運算放大器后，將電阻R上的電壓固定，產生一個恒定的電流源Iref。通過鏡像電路后，該電流源在后端比較器輸出信號CLK的控制下對電容進行充放電。初始狀態時，電容兩端電壓為0，此時CLK開關閉合，后端比較器接入高電平VH，電流源對電容進行充電。當電容兩端電壓逐漸升高超過VH時，比較器輸出低電平，此時------CLK打開，比較器輸入VL，電容開始對地進行放電。當電容放電電壓低于VL時，比較器輸出高電平，即CLK變為高電平，又開始對電容進行充電操作。如此周而復始，形成振蕩，電容兩端產生三角波信號，同時比較器輸出一個方波時鐘信號CLK[10-12]。

圖1 傳統RC振蕩器

傳統的RC振蕩器結構簡單，易于片內實現，但是輸出時鐘信號頻率精確度容易受電壓波動，溫度偏差，以及工藝偏差的影響，難以保持一定的頻率精度。因此，很多設計者采用電流修調電路，或者對稱設計等方式來補償溫度和工藝偏差[12-14]。

2 帶自動校準的超低功耗RC振蕩器設計

本次設計的振蕩電路由4個部分組成，分別為：啟動模塊，參考電流產生模塊，充放電模塊和自動校準模塊。電容陣列和電阻陣列由自動校準電路模塊輸出控制，通過調節陣列控制數值，實現精準的頻率輸出。為了盡可能的降低電流消耗，可以通過合理的參數設計，讓電流源產生模塊中MOS管都工作在弱反型或亞閾值區域，達到降低功耗的目的。當MOS管上的Vgs接近其閾值電壓Vth時，MOS管工作在弱反型區（或亞閾值區），在結構上類似于兩個背靠背的二極管相連。這樣我們分析時，可將其看成橫向的BJT的結構，不過與一般的BJT不同的是，這里的漏極電壓是柵電壓在柵電容和耗盡層電容之間的分壓。可以得到亞閾值區時的電流方程：

從該式中可以看到，當VDS>3VT時，括號里面的值近似等于1，這樣VDS的變化基本不會對IdS造成影響，MOS管此時的工作狀態和飽和區狀態一樣，可以將其當成穩定的電流源。同時MOS在亞閾值狀態下工作時，是沒有導電溝道的，通過的電流很小，從而達到降低整個芯片功耗的目的。

圖2 超低功耗RC振蕩器電路圖

圖2所示為本次設計的超低功耗RC振蕩器電路圖。啟動電路由M1、M2、M3、M4和M22構成。啟動電路阻止所有的自偏置電路工作在零偏置點附近，在電路上電后立即開始工作，向需要啟動的電路注入電流，破壞電路的簡并點，使之處在正確的工作狀態，保證電路能夠正常起振。

M5～M11構成電流源電路，電流通過鏡像電路饋送到電容支路，對電容進行充電，引起M15的柵極電壓變化。如圖3所示，當電路剛開始啟動時，電容兩端電壓為0，M15柵極電壓為0，此時M14導通，電流通過M14對電容進行充電。隨著電容電壓Vc的升高，M15柵極電壓逐漸上升，當VC>Vth時，M15開始導通，M14關閉，電容又開始對地進行放電。直至電容電壓VC低于 M15閾值電壓Vth后，VC＜Vth，M14又重新打開，電流I5重新開始對電容進行充電。如此周而復始，產生振蕩信號[15-18]。

電容的電壓變化量可以表示如下：

其中，電流可由下式計算得出：

將（3）帶入（2）得：

由此，可得到輸出振蕩頻率為：

可以看到，參考電壓的波動，溫度和工藝的差異會對輸出頻率產生很大的影響，難以維控制輸出頻率精度。因此，本文采用自動校準機制來調節電容電阻陣列，實現穩定準確的頻率輸出。

圖3 電容充放電波形圖

3 自動校準機制原理

如圖4所示，自動校準電路內部包括計數器、比較器、編碼器等電路模塊。自動校準的基本原理就是通過比較38.4 MHz和晶振輸出頻率，改變輸出電容、電阻陣列的值，來達到頻率校準的目的。計數器的作用就是在一個振蕩器輸出周期內記錄下晶振信號的周期個數，晶振信號每輸出一個上升沿就加1。每一個32 kHz周期內，應該會有1 200個晶振信號，即：38.4 MHz/32 kHz=1 200。因此計數器的參考值為1 200，當計數器計數為1 200時，編碼器將此時的電容、電阻陣列輸出保存至振蕩器電路中，校準完成，晶振電路和校準電路也隨之關閉。

如圖5所示為自動頻率校準流程:首先隨著RC振蕩信號和參考晶振信號的輸入，計數器開始工作，在一個RC振蕩周期內記下數值N。

1）粗調第一階段：

①當1 100＜N＜1 150時，增加電阻陣列的數值來降低RC振蕩器輸出頻率，同理：

②當1 250＜N＜1 300時，減小電路陣列數值來提高振蕩器輸出頻率。

2）粗調第二階段：

當1 150＜N＜1 250時，通過調節電阻陣列數值，來快速改變輸出頻率，達到1 180＜N＜1 220。至此，粗調完成，進入細調階段。

3）細調階段，通過逐一掃描6比特的電容陣列數值，使得計數1 198＜N＜1 202，實現準確的頻率輸出。校準過程至此完畢，關閉校準電路和晶振模塊，最終頻率誤差控制在1%以內，滿足設計要求。

圖4 自動校準模塊示意圖

4 仿真結果分析

本文采用TSMC 180nm工藝設計了一種超低功耗、帶有自動校準模塊的32 kHz RC振蕩器，通過Cadence Spectre對電路進行了仿真。

在1.8 V供電電壓下，總電流消耗為0.15 μA。經過設置各種仿真條件進行后仿真（ff、tt、ss 3種Corner，溫度從-40～85℃，電壓從1.5～2.1 V），最終仿真結果如下：如圖6所示為振蕩器起振穩定時間小200 μs。如圖7所示，振蕩器最終輸出頻率能夠穩定在32 kHz。如圖8所示為輸出頻率功率譜密度。目前正在等待流片回來，將進一步完成流片結果測試。

圖5 自動校準流程圖

圖6 RC振蕩器輸出波形圖

圖7 RC振蕩器輸出頻率

圖8 RC振蕩器輸出頻率功率譜密度圖

5 結束語

本文設計了一種超低功耗、高精度、帶有自動校準機制的RC振蕩器電路。通過自動校準電路補償了溫度差異、工藝偏差、電壓波動對于振蕩器輸出頻率的影響。最終仿真結果表明電路總電流消耗為0.15 μA，能夠在各種環境下穩定輸出32 kHz振蕩信號。本次設計的振蕩電路滿足超功耗條件下的應用需求。芯片測試結果需等待流片回來作進一步完善。

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