一種高精度高穩定性的片內振蕩電路設計

摘" 要： 作為系統時鐘源，振蕩電路的頻率特性會影響芯片工作性能。為提高片內振蕩器輸出時鐘的精度及穩定性，設計一種基于RC結構的振蕩電路。該振蕩電路采用帶隙基準產生電容充電電流及基準電壓，通過調整鏡像管比例進行頻率粗調校正，通過調整基準電壓大小和溫度系數以實現頻率細調校正及溫度特性校正。電路基于55 nm CMOS工藝設計實現，仿真結果表明，典型條件下電路工作輸出為30 MHz，50%占空比時鐘，在1.6～5.5 V、-40～125 ℃工作范圍內，振蕩頻率偏移位0.6%以內，中心校準精度為0.5%，可作為片內高精度時鐘源或參考時鐘。

關鍵詞： 振蕩電路； RC結構； 基準電路； 頻率校正； 溫度校正； 校準精度； 高穩定性

中圖分類號： TN75?34" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）08?0095?06

Design of a high precision and high stability on?chip oscillator circuit

ZONG Jiajia， HUANG Jian， LAI Pengfei， LI Liang

（Wuxi i?CORE Electronics Co.， Ltd.， Wuxi 214000， China）

Abstract： As the clock source of the system， the frequency characteristics of the oscillation circuit can affect the operational performance of the chip. In order to improve the precision and the stability of on?chip oscillator output clock， an oscillation ciruit based on RC structure is designed. The bandgap reference is used in the oscillation circuit to generate capacitor charging current and reference voltage， and the mirror tube ratio is adjusted for the frequency coarse adjustment correction. By adjusting the reference voltage size and temperature coefficient， the frequency fine adjustment correction and temperature characteristic correction are achieved. The circuit is designed based on the 55 nm CMOS process， and the simulation results prove that， under typical conditions， the working output of the circuit is 30 MHz， with a 50% duty cycle clock. It operates within the range of 1.6 V to 5.5 V and -40 ℃ to 125 ℃， with an oscillation frequency offset of 0.6% and a center calibration accuracy of 0.5%. The circuit can be used as a high?precision on?chip clock source or reference clock.

Keywords： oscillator circuit; RC structure; reference circuit; frequency correction; temperature correction; calibration accuracy; high stability

0" 引" 言

作為支持芯片工作的時鐘源，各類振蕩電路在MCU中有著廣泛的應用，為應對不同工作場景，對振蕩電路的功耗、精度、穩定性、面積等性能也提出了不同要求[1?2]。片內振蕩電路結構包括環形振蕩、LC振蕩、RC振蕩[3?4]，LC振蕩結構受限于面積和成本，應用較少[5]；環形振蕩雖功耗低、面積小，但由于頻率穩定性受限，常應用于功耗低及頻率精度要求較低的場景；RC振蕩結構在面積上優于LC結構，在頻率特性上優于環形振蕩結構，應用更為廣泛[6?7]。不斷提升RC振蕩結構的頻率特性，為芯片工作提供高精度、高穩定性的時鐘是改善芯片性能的重要研究方向[8?9]。

本文以常見的RC振蕩結構為基礎，通過增加對基準電壓及充電電流的修調實現對輸出時鐘頻率的校正，減小芯片在生產過程中引入的頻率偏差，保證頻率精度。同時，為應對芯片的不同工作環境要求，并減小工作電壓偏差、高/低溫環境條件或散熱、老化導致的頻率穩定性和精度問題，通過調整供電方式和修調充放電電流溫度系數進行溫度特性校正。

1" 電路設計

本文設計的振蕩電路結構如圖1所示，振蕩主體采用典型的RC振蕩結構，內置2個LDO分別為基準及振蕩電路供電，隔離振蕩電路紋波，減小外部電源變化對振蕩頻率的影響。基準電路產生基準電壓、電流，由修調網絡校正后分別作為后級比較器參考電壓及電容充放電電流，以產生周期翻轉的電壓，處理后得到50%占空比時鐘信號。

1.1" RC振蕩電路

本文振蕩電路核心采用RC振蕩結構[10?11]，電路原理圖如圖2所示。RS鎖存器輸入振蕩使能信號，CLK起始狀態為高電平，P2、N1導通，C1放電通路打開，C2由電流源充電，電荷不斷累積至使CMP2輸出翻轉，CLK翻轉為低電平，P2、N1關斷，P1、N2導通，電流源更改為向C1充電直至CMP1輸出由低電平翻轉為高電平，CLK再次翻轉為高電平。以上過程不斷重復，產生周期性翻轉的時鐘信號輸出。該電路輸出信號周期與電容充電時間相關，無需考慮比較器遲滯的影響。此外，雙邊比較器的對稱結構設計可以將時鐘占空比較好地穩定在50%，減小振蕩頻率波動。

根據電容累積電荷量公式，可以推導出RC振蕩頻率公式為：

[0VREFdU=1C0tIcharge dt]

[f=12t=Icharge2CVREF，" C1=C2=C]

可見，充電電流和基準電壓的性能直接影響頻率穩定性。因此，合理設計充電電流及基準電壓變化率使二者實現相互補償，可以極大程度上保證頻率的穩定。本文電路設計采用基準源[12]分別產生恒定電流及基準電壓，作為充電電流和比較器基準。

1.2" 基準電路

圖3所示為基準電路的基本結構原理，運放鉗位a、b節點電壓相同，恒流源鏡像產生偏置電流、基準電流及基準電壓。基準電壓公式如下：

[VREF=VTlnNR1+VBE0R2·R]

采用基準電路結構可省略一級運放，更改R1、R2比值，實現對基準電壓、電流的溫漂修調；更改輸出支路電阻R可獲得不同的零溫漂電壓VREF。相較于基礎帶隙基準結構，增加電阻R2作為負溫漂電壓的系數，可將零溫漂電壓由固定值更改為可變值，這對于后續進行基準電壓修調是有意義的，能夠避免校準基準電壓時造成其溫度曲線偏移，減小電路校準導致的溫度特性離散，也有利于提高電路溫度校準的精度。基準溫漂曲線見圖4。

1.3" 修調電路

受到芯片制造工藝的限制，不可避免地會引入誤差，而在電路設計中增加頻率修調電路是提高振蕩頻率精度、保證芯片良好的常用手段[13]。根據1.1節推算的RC振蕩頻率公式，更改充電電流Icharge、電容C和基準電壓VREF均可調整振蕩輸出頻率。本文電路RC振蕩采用雙邊比較器對稱結構，充電電容為單邊結構的2倍，但采用電容校正方案會比電流校正及電壓校正占用更多版圖面積，故電路設計采用修調充電電流大小實現頻率粗調，通過修調比較器基準電壓大小進行頻率細調。同時，為了修正頻率溫度偏移誤差，增加頻率溫度校正，通過調整基準電壓的溫度系數補償電容、基準、比較器速度等部分的溫度偏移。

1.3.1" 頻率粗調校正

粗調較正通過調整接入鏡像管根數來修調充電電流大小，如圖5所示。其中P0為固定接入的鏡像管，P1～Pn分別由trim1～trimn控制導通/關斷，共可產生2n級電流輸出，頻率校準格點及校準范圍分別為：

[fstep=m2CVREFm0?I0]

[m1I02CVREFm0≤f≤m1+m2n-1I02CVREFm0]

通常，為了實現頻率的雙向調節，取校準默認配置位為振蕩中心頻率，則粗調校正精度為：

[fa=mm1+2n-1m]

頻率的粗調校準主要影響振蕩器的頻率可校范圍，設計范圍過小會導致中心頻率偏移，過大則影響面積。本文考慮工藝差異，設計頻率校準范圍大于±30%，粗調校準設計參數如表1所示。

1.3.2" 頻率細調校正

頻率細調校正通過更改輸出支路電阻值修調輸出基準電壓的大小，如圖6所示。輸出支路電阻包含固定接入電阻及可校準電阻，為了版圖匹配，將可校準電阻均勻拆分為n級，此時，基準電壓的校準格點及精度均勻，對應頻率的校準格點隨接入電阻值變化。

基準電壓校正格點及校準范圍公式如下：

[VREFstep=m2m0?I0?R]

[m2m0?I0?R0≤VREF≤m2m0?I0?nR+R0]

基準電壓校準精度表示為：

[VREFa=RR0+n2+1?R]

細調校正格點直接影響振蕩器的頻率校準精度，格點越小，校準引入的頻率誤差越小，振蕩精度越高，但需要同步減小粗調校準格點以避免校準曲線不連續。每段校準曲線起點由粗調校正確定，斜率及終點由細調校正確定。為保證整體校準范圍內所有頻率點均可校，每段粗調曲線必須存在重合，理論上，重合范圍越大，校準閾值內的可校頻點越多，校準精度越高。

結合已推出的粗調、細調格點及輸出頻率公式，計算出細調校準位數n、細調校準電阻R和R0、粗調校準鏡像管根數m1與m取值需滿足：

[m1?n?Rgt;m?R0]

設計時m通常取值為1，也即n、[RR0]、[m1m]滿足以下比例關系：

[m1?RR0gt;1n]

不等式左側取值越大，右側取值越小，校準曲線重合點越多，頻率校正誤差越小。綜上，適當增加粗調校準位數優化可以得到足夠的頻率校正范圍。

細調校準設計參數如表2所示。

1.3.3" 頻率溫度校正

以上電路結構通過引入帶隙基準為振蕩電路提供恒定的充電電流及基準電壓，二者的溫度偏移控制在較小的范圍；同時，可適當補償電路其他結構，如電容、比較器引入的非理想情況下的溫度偏移，以提高振蕩器輸出頻率的穩定性。但實際生產應用過程中無法保證理想條件下的參數特性，版圖鏡像管、電阻、電容的匹配對稱設計不合理，生產時工藝的偏差、擴散影響、機械應力等多種因素都會帶來時鐘頻率溫漂的不確定性，而增加溫度校正方案可以進一步減小頻率偏移，提高時鐘精度。

根據上文推出的基準公式調整輸出支路電阻R的溫度特性，可以在不影響充電電流溫漂的前提下，通過更改基準電壓、溫度特性的方式更改輸出時鐘的溫度特性。圖7所示為頻率溫度校正電路原理圖。為了不影響頻率細調校正，保持基準電壓輸出支路總電阻不變，抽取部分固定接入電阻更改為溫度校正電阻，分為等值的正溫度系數電阻和負溫度系數電阻兩部分，通過開關管控制接入的正、負溫度系數電阻比值更改VREF的溫度特性，每一級電阻Rt采用等值設計，電阻類型選擇綜合溫度系數和方塊值以節約面積。

2" 版圖設計

本文基于55 nm CMOS工藝進行版圖設計，基準電路與振蕩主體間增加隔離，電源地線增加濾波電容，避免高速振蕩信號耦合至電源影響性能。兩路充放電電容、比較電路采用對稱設計，頻率校正鏡像管、溫漂校正電阻保證嚴格的版圖匹配。振蕩電路版圖概貌如圖8所示。

3" 性能參數

振蕩主要性能參數如表3所示。

LDO特性曲線如圖9所示，振蕩電壓特性曲線如圖10所示。典型工作條件下，振蕩輸出頻率為30.58 MHz，整體工作電流為120 μA。對比振蕩電壓特性可見，電源電壓在1.6～5.5 V變化時，LDO線性調整率為0.06‰，輸出頻率偏移為0.1%。

頻率?溫度特性曲線及溫度校正范圍如圖11所示，-40～125 ℃、默認溫度校準配置下頻率偏移曲線為拋物線，最大偏移為0.56%，頻率溫度校準可修調拋物線對稱軸，溫度校準值增大，頻率溫度特性曲線由遞增變化為遞減。

圖12所示為頻率粗調校準取值默認時的頻率細調校準曲線，隨細調配置值增大，內部比較器基準電壓遞增，輸出頻率減小，頻率中心校準精度為0.5%，全碼值校準精度lt;1%。

4" 結" 論

本文設計了一種片內RC振蕩電路，采用兩級LDO供電提升頻率穩定性，帶隙基準源提供電流源及基準電壓以優化振蕩頻率的電壓和溫度特性。為了進一步提高振蕩精度，分別對RC振蕩的充電電流和比較器基準電壓進行校準，實現頻率的粗調和細調；更改校準支路部分電阻的溫度特性，實現對頻率溫度偏移參數的校正。振蕩輸出30 MHz時鐘，中心頻率校準精度為0.5%，在-40～125 ℃、1.6～5.5 V的工作范圍內可實現0.6%以內的頻率偏移，具有較好的頻率特性，其供電方案及頻率校準、溫度校準結構可移植到相似的RC振蕩結構中，用以提高振蕩精度及頻率穩定性。

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作者簡介：宗佳佳（1993—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，研究方向為模擬集成電路設計。