一種新型可修調(diào)高精度低功耗RC振蕩器設(shè)計(jì)

林雨佳，范 超

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

隨著半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，CMOS 工藝的不斷提高，芯片的尺寸越來越小。對(duì)芯片內(nèi)部的各個(gè)功能模塊低功耗、高穩(wěn)定、高精度等要求越來越高[1]。在集成電路領(lǐng)域，無論是數(shù)字集成電路中還是混合集成電路中，都使用振蕩器電路，如半橋驅(qū)動(dòng)器、MCU 等電路。振蕩器模塊作為系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于電子及通信系統(tǒng)中，尤其在鎖相環(huán)電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路中更是重中之重[2]。所以，以CMOS 工藝為基礎(chǔ)的可修調(diào)RC 振蕩器[3-5]成為近年的研究重點(diǎn)。

一般的RC 振蕩器輸出頻率容易受環(huán)境溫度影響，溫度特性較差。為了得到更好的溫度特性，提出一種新型可修調(diào)高精度RC 振蕩器，通過修調(diào)手段提高溫度特性，使輸出頻率變化控制在0.5%以內(nèi)。

2 現(xiàn)有技術(shù)中的一種振蕩器

振蕩器通過邏輯控制器使能可控開關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行充放電來完成振蕩波形輸出。如圖1 所示為現(xiàn)有技術(shù)中的一種振蕩器的簡化示意圖，振蕩器主要由比較器、電容、可控開關(guān)和邏輯控制器構(gòu)成。由開關(guān)通斷控制電容充放電的工作狀態(tài)，比較器的兩個(gè)輸入端分別是電容電壓和所設(shè)置的閾值電壓，當(dāng)電容電壓高于比較器閾值電壓時(shí)，邏輯控制器輸出的方波信號(hào)將會(huì)使可控開關(guān)1 斷開，可控開關(guān)2 導(dǎo)通，此時(shí)電容電壓下降。當(dāng)電容電壓低于比較器閾值電壓時(shí)，邏輯控制器輸出的方波信號(hào)將會(huì)使可控開關(guān)2 斷開，可控開關(guān)1 導(dǎo)通，此時(shí)電容電壓上升。此過程不斷反復(fù)產(chǎn)生連續(xù)不斷的振蕩波形。

圖1 現(xiàn)有技術(shù)中的一種振蕩器

振蕩器的每個(gè)時(shí)鐘周期由三部分時(shí)間組成：電容的充電時(shí)間tcharge，電容的放電時(shí)間tdischarge和比較器和邏輯控制器的延遲時(shí)間tdelay，則最終時(shí)鐘的頻率為：

由公式(1)可以看出，這種方式產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率不僅與電容的充放電時(shí)間有關(guān)，而且還與比較器和邏輯控制電路的延時(shí)有關(guān)。隨著電容充放電的電壓變化，比較器輸出信號(hào)經(jīng)過邏輯控制器觸發(fā)可控開關(guān)的時(shí)間，與電容電壓達(dá)到跳變值的時(shí)間相比要延后一段時(shí)間。在延后的時(shí)間段內(nèi)電容電壓仍然在上升或下降，因此輸出電壓帶有誤差，電壓頻率也產(chǎn)生誤差。圖1 振蕩器結(jié)構(gòu)中的比較器和邏輯控制器存在的延時(shí)現(xiàn)象，即使選擇高速器件或簡易邏輯控制方式也不可避免延時(shí)帶來的影響。

通常工程上認(rèn)為比較器和邏輯控制電路的延時(shí)時(shí)間tdelay 是振蕩器頻率溫度系數(shù)差的主要誤差來源。當(dāng)時(shí)鐘頻率較高時(shí)，tdelay 的影響會(huì)更加突出，所得到的時(shí)鐘頻率受溫度影響也就越大。理論上減少這項(xiàng)誤差的絕對(duì)值會(huì)降低誤差的溫度變化量，但實(shí)際中任何電路結(jié)構(gòu)都存在不同程度的延遲。不同溫度情況延時(shí)的程度不同，使得環(huán)境溫度不同時(shí)電容充放電時(shí)間不同，導(dǎo)致電壓頻率受到溫度影響。

因此，需要提供一種可對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)恼袷幤鳎越鉀Q上面提到的問題。

3 新型可修調(diào)高精度RC振蕩器設(shè)計(jì)

新型可修調(diào)高精度低功耗RC 振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括兩個(gè)比較器、邏輯控制器、兩個(gè)電容器和修調(diào)陣列等。其中振蕩器模塊電源VDD 是由系統(tǒng)內(nèi)部LDO 輸出提供。Rtrim1、Rtrim2 為可修調(diào)電阻陣列，通過修調(diào)電阻比例，可調(diào)節(jié)比較器閾值電壓VB，從而調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率。Ctrim1、Ctrim2 為可修調(diào)電容陣列，通過修調(diào)電容可調(diào)節(jié)充電速度，改變時(shí)鐘頻率。PTC、NTC 分別為正溫度系數(shù)電阻和負(fù)溫度系數(shù)電阻，用來補(bǔ)償充電電流溫度變化對(duì)輸出時(shí)鐘的影響。

圖2 新型可修調(diào)高精度RC 振蕩器

3.1 振蕩器中的比較器電路

圖3 為新型振蕩器中的比較器電路，通過調(diào)節(jié)比較器輸出阻抗，引入一個(gè)或正或負(fù)輸入失調(diào)電壓，通過調(diào)節(jié)比較器延遲的極性和大小，改變其溫度系數(shù)，補(bǔ)償后級(jí)數(shù)字邏輯延遲時(shí)間的溫度特性。

編程寄存器修調(diào)碼，比較器[6-8]將會(huì)產(chǎn)生的輸入失調(diào)電壓ΔV 時(shí)。如果ΔV 為正，當(dāng)VP 端電壓大于VN 端電壓至少一個(gè)時(shí)，mp2 導(dǎo)通，mp1、mn1、mn2 關(guān)斷，比較器輸出為高，否則輸出為低。如果ΔV 為負(fù)，當(dāng)VP 端電壓小于VN 端電壓至少一個(gè)時(shí)，mp1、mn1、mn2 導(dǎo)通，mp2 關(guān)斷，比較器輸出為低，否則輸出為高。

圖3 新型振蕩器中的比較器電路

輸入失調(diào)電壓ΔV 的正負(fù)和大小由修調(diào)碼控制，修調(diào)碼可分為低三位Trim＜0：2＞和高三位Trim＜3：5＞, 碼數(shù)越小，有源負(fù)載阻抗越大，需要注意的是，無論是低三位還是高三位均不能出現(xiàn)000 碼，因?yàn)檫@樣不能形成通路，比較器將無法正常工作。

mp1 和 mp2 為放大管 ，mn1、mn2、mn3、mn4、mn5、mn6、mn7、mn8 組成比例電流源作為有源負(fù)載，mn3～mn8 的器件寬長比依次為 1：2：4：4：2：1，編程6 位寄存器修調(diào)碼，可分別控制mn3～mn8 的開關(guān)狀態(tài)，這些管子導(dǎo)通之后的阻抗與他們的寬長比成反比。這樣通過修調(diào)寄存器調(diào)節(jié)比較器輸出阻抗，引入一個(gè)或正或負(fù)輸入失調(diào)電壓，通常比較器延遲的極性和大小，直接決定其溫度系數(shù)，例如，比較器延遲為正值，那么其溫度特性為正，反之亦然。這樣的話無論后級(jí)數(shù)字邏輯的延遲時(shí)間呈現(xiàn)出怎樣的溫度特性，都可以通過寄存器給出的修調(diào)碼進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)修調(diào)寄存器進(jìn)行編程，控制放大器有源負(fù)載的輸出阻抗，引入一部分輸入失調(diào)電壓，調(diào)節(jié)比較器延遲的絕對(duì)值，改變其溫度系數(shù)，補(bǔ)償后級(jí)數(shù)字邏輯延遲時(shí)間的溫度特性。

3.2 振蕩器中的邏輯控制電路

圖4 為新型振蕩器中邏輯控制電路，信號(hào)A 與信號(hào)B 互為反相信號(hào)，當(dāng)A 由低變高、B 為由高變低時(shí)，信號(hào)A 將mn1 導(dǎo)通，E 點(diǎn)電壓為低，經(jīng)過反相器 INV1，輸出信號(hào) D 為高；信號(hào) B 將 mn2 關(guān)斷，此時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)信號(hào)由于延遲電路buffer2 的存在，仍保持上一狀態(tài)高電平，與信號(hào)D 做與非邏輯，與非門NAND2 輸出一個(gè)瞬間低脈沖，將mp4 導(dǎo)通，G 點(diǎn)電壓為高，經(jīng)過反相器INV2，輸出信號(hào)C 為低，將mp3導(dǎo)通，將G 點(diǎn)信號(hào)鎖在高電平狀態(tài)，直到B 信號(hào)高電平到來。這樣的邏輯處理，使振蕩器脈沖寬度只與電容的充電時(shí)間有關(guān)，且占空比為50%。

圖4 新型振蕩器中的邏輯控制電路

3.3 電路仿真

電路采用0.5μm CMOS 工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用Spectre 軟件進(jìn)行電路仿真，仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 電路仿真數(shù)據(jù) 單位：MHz

4 結(jié)束語

本論文給出了一種0.5μm CMOS 工藝下設(shè)計(jì)的可修調(diào)高精度RC 振蕩器電路，該電路采用雙斜坡與偏置電壓輪流比較的工作方式實(shí)現(xiàn)高頻時(shí)鐘。這種做法的優(yōu)勢(shì)是振蕩頻率只與充電時(shí)間有關(guān)，而與放電時(shí)間無關(guān)，不考慮放電時(shí)間延遲對(duì)頻率的影響。并且對(duì)修調(diào)寄存器進(jìn)行編程，控制放大器有源負(fù)載的輸出阻抗，引入一部分輸入失調(diào)電壓，通過調(diào)節(jié)比較器延遲的極性和大小，改變其溫度系數(shù)，補(bǔ)償后級(jí)數(shù)字邏輯延遲時(shí)間的溫度特性。該電路已應(yīng)用在某8 位微處理器中作為24MHz 內(nèi)部振蕩器，該電路在溫度范圍為-55℃～125℃時(shí)，未進(jìn)行修調(diào)的振蕩器受溫度影響，頻率變化范圍為1%，經(jīng)過修調(diào)之后的頻率變化可控制在0.5%以內(nèi)。