一種具有高階溫度補償?shù)母呔萊C振蕩器設(shè)計

基金項目：四川省科技計劃項目重點研發(fā)項目，項目編號2022YFG003

0 引言

振蕩器作為一種時鐘信號電路，是許多電子系統(tǒng)重要組成部分。隨著集成電路的快速發(fā)展，振蕩器會在數(shù)字及數(shù)?；旌霞呻娐分邪缪輼O其重要的角色。因此，需要一種高穩(wěn)定高精度的可集成的振蕩器。

振蕩器是在不外加輸入信號的條件下，可僅僅依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生具有周期性的信號。一般地，晶體振蕩器的頻率比較穩(wěn)定，但不能集成到芯片內(nèi)部，而且精度只與所選擇的晶體器件的固有頻率有關(guān)^[1]。RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，因而受到非常廣泛的應(yīng)用，但其振蕩頻率易受電壓和溫度變化的影響，其次也與電阻和電容與工藝有關(guān)系^[2,3]。

文章介紹的高精度RC振蕩器電路，其電路的內(nèi)部電流源電路采用高階溫度補償?shù)脑O(shè)計方案，得到在較寬的溫度范圍內(nèi)具有與溫度無關(guān)的電流源電路。此外，針對工藝會帶來的偏差，采用電流數(shù)字修調(diào)電路來提高振蕩器頻率的穩(wěn)定性。

1 RC振蕩器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計重點

1.1 RC振蕩器的結(jié)構(gòu)

RC振蕩器的原理圖，如圖1 所示。

圖1 RC振蕩器

RC振蕩器的工作原理：假設(shè)初始狀態(tài)的RS鎖存器的輸出端Q=0，整型反向器的輸出端CLK=0、CLKN=1。此時，開關(guān)管M₁導(dǎo)通， M₂關(guān)斷，充電電流I_c對電容C₁進(jìn)行充電，電容兩端電壓不斷上升，與此同時，開關(guān)管M₃關(guān)斷，M₄導(dǎo)通，電容C₂同過開關(guān)管M₄對地進(jìn)行放電直到0 V。當(dāng)電容C₁兩端電壓上升至V_ref時，比較器Comp2的輸出跳變?yōu)?，此時RS鎖存器的輸出為Q=1，整型反向器的輸出端CLK=1、CLKN=0，開關(guān)管M₃導(dǎo)通， M₄關(guān)斷，充電電流I_c對電容C₂進(jìn)行充電，此時電容C₁兩端的電壓對地進(jìn)行放電直至到0 V。當(dāng)電容C₂兩端電壓等于V_ref時，比較器Comp1輸出發(fā)生改變，變?yōu)?，而此時RS鎖存器的輸出變?yōu)镼=0，整型反向器的輸出端CLK=0、CLKN=1，電路回到了初始狀態(tài)，電容完成一個充放電周期，電路形成一個振蕩周期，如此往復(fù)循環(huán)，使RC振蕩器以一定的頻率不斷進(jìn)行。

根據(jù)前面的分析以及電容的充放電特性可知，電容完成充電時間t₁和放電時間t₂為：

t₁=   (1)

t₂=   (2)

其中，C為電容的容值； ΔU為電容兩端的電壓差值。當(dāng)充放電電流I_c為固定值，一個完整的電容充放電的周期T= t₁+ t₂。

因此，可以得到RC振蕩器的輸出頻率計算公式為：

f=  =    (3)

式3中，I_c是電流源電流，即也是充電電流，V_ref為帶隙基準(zhǔn)電壓值，C為電容值。當(dāng)電容C₁和C₂兩端電壓與V_ref相等時，充電電流I_c 停止對電容充電，隨之電容開始對地放電直至電容兩端電壓為0，隨后充電電流為另一電容充電，兩個電容的充放電時間為一個振蕩周期。

1.2 RC振蕩器的設(shè)計重點

在一些高精度的應(yīng)用領(lǐng)域，時鐘信號在抗工藝漂移（P）、電源電壓（V）、溫度（T）變化時要滿足高精度的要求，因此這也是RC振蕩器的設(shè)計難點和重點。使用CMOS工藝可有效提高系統(tǒng)集成度和降低成本，但是，實現(xiàn)高精度振蕩器面臨的以上的問題，因此，現(xiàn)階段也是主要從工藝漂移（P）、電源電壓（V）、溫度（T）這3 個方面解決輸出頻率的穩(wěn)定性^[4-9]。

為使RC振蕩器的工作電壓受電源電壓的影響較小，采用LDO電路的輸出電壓作為振蕩器的電源電壓；同時設(shè)計具有3階溫度補償的電流源電路使得輸出頻率也與溫度變化不相關(guān)；為避免數(shù)字電路對模擬電路性能的影響，設(shè)計低通濾波器將模擬電路與數(shù)字電路隔離起來；最后，設(shè)計電流數(shù)字修調(diào)電路使得振蕩器電路得到精度較高的輸出頻率。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 電壓和電流基準(zhǔn)源

電壓基準(zhǔn)電路為電流型低壓帶隙基準(zhǔn)，根據(jù)其原理為，可以得到具有零溫度系數(shù)的電流I_D2 。如圖2 所示。

圖2 電壓基準(zhǔn)電路

V_ref和V_ref1均是1階溫度系數(shù)為零的基準(zhǔn)電壓，它們被用作電流源電路的采樣電壓，對應(yīng)的電路如圖3所示。

圖3 電流源電路

在電流源電路中，可以將兩個運算放大器的正負(fù)輸出端看作近似相等，可得：

I₁=    (4)

I₂=    (5)

在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，一些具有相反溫度特性的器件被組合起來以獲得良好的溫度特性^[8-9]。而R₇，R₈分別為兩個相反溫度特性的電阻疊加而成，這里做了簡化處理。此時，得到的電流I₁和I₂均為2階溫度系數(shù)為零的電流，但其值不同。為得到具有3階溫度系數(shù)的電流I₃ ，可以通過I₁減去適當(dāng)比例的I₂即可得到。

I₃=αI₁?βI₂   (6)

2.2 LDO穩(wěn)壓器

LDO穩(wěn)壓器即低壓差線性穩(wěn)壓器。它以結(jié)構(gòu)簡單、低壓差、輸出電壓受電源電壓的變化影響較小而得到廣泛運用。如圖4 所示，它主要由誤差放大器、功率管、反饋電阻等組成。由于誤差放大器、功率管M_p 、電阻R₁和R₂組成了負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，利用負(fù)反饋機制可以得到輸出穩(wěn)定且的電壓^[10]。因此，LDO的輸出電壓可以作為振蕩器的電源電壓。通過分析可以得到輸出電壓表達(dá)式為：

V_OUT=V_ref    (7)

由上述分析可知，當(dāng)LDO輸出電壓V_OUT變大時，經(jīng)過反饋電阻分壓，誤差運放的負(fù)輸入端也會變大，此時誤差運放輸出變大，使功率管V_GS變小，流過功率管的電流減小，進(jìn)而減小輸出電壓V_OUT的值，反之亦然。

因此，LDO電路可以得到穩(wěn)定的輸出電壓，受電源電壓和溫度的影響幾乎不變的電壓值，并將這個電壓值作為RC 振蕩器的核心模塊的電源電壓。

圖4 低壓差線性穩(wěn)壓器

2.3 低通濾波器

文中RC振蕩器電路系統(tǒng)含有模擬電路和數(shù)字電路，振蕩器的核心電路主要為數(shù)字電路，而它的電源電壓由模擬電路LDO的輸出電壓V_OUT進(jìn)行供電，此外，電壓基準(zhǔn)及電流源電路也為模擬電路。但是，由于數(shù)字電路發(fā)生高低電位轉(zhuǎn)換時，會導(dǎo)致電源上發(fā)生一定的抖動，該抖動會直接傳遞到LDO的輸出端，進(jìn)而會影響到模擬電路的性能?？梢詫⒛M電路與數(shù)字電路隔離，如圖5所示。

圖5 模擬電路與數(shù)字電路隔離示意圖

采用工作于線性區(qū)的PMO 管和NMOS電容形成一個RC低通濾波器的方式，對模擬電路與數(shù)字電路進(jìn)行隔離。仿真結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)字電路的電源有抖動噪聲產(chǎn)生時，采用這種方式能夠有效的改善電源抖動現(xiàn)象，優(yōu)化了模擬電路的性能。

2.4 數(shù)字修調(diào)電路

實際上，整個電路的設(shè)計，再到最后的仿真驗證過程中，在不考慮數(shù)字修調(diào)模塊的情況下，RC 振蕩器電路也能實現(xiàn)功能。但是，由于存在工藝漂移，電阻和電容的誤差失配，影響輸出頻率的精度。因此，可以采用將電路的充放電電流、電阻和電容陣列進(jìn)行修調(diào)的方法^[11-13]。

文中的數(shù)字修調(diào)電路采用8位修調(diào)信號來控制PMOS開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，每一位控制一個開關(guān)管。當(dāng)輸出信號頻率減小時，會打開更多開關(guān)，會使充電電流I_c增大，輸出頻率增大。理論上修調(diào)位數(shù)越多，振蕩器的精度越高。如圖6所示。

圖6 電流數(shù)字修調(diào)電路

3 仿真結(jié)果與分析

文章采用CSMC 0.18 μmCMOS工藝，仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)由Cadence Spectre電路仿真工具所得到。

電流源電路采用3 階溫度補償結(jié)構(gòu)， 當(dāng)溫度變化從-40℃~125℃時， 誤差不超過0.8%，表明該電流源電路具有優(yōu)異的溫度特性。如圖7所示。

圖7 電流溫度特性

LDO輸出電壓的精度可以用線性調(diào)整率來衡量，線性調(diào)整率越小，LDO輸出電壓精度越高。仿真結(jié)果表明，線性調(diào)整率為5.29 mV/V，誤差不超過0.5%。如圖8 所示。

圖8 LDO仿真圖

在tt工藝角，溫度27℃ 時，RC振蕩器的輸出結(jié)果，如圖9所示。

圖9 RC振蕩器輸出信號

在溫度為-40℃~125℃，電源電壓為2.5 V~5.5 V 的情況下，RC 振蕩器的輸出頻率的結(jié)果。如表1 所示。

表1 不同工藝角下RC振蕩器的輸出頻率

文章設(shè)計的高精度RC振蕩器與國內(nèi)外參考文獻(xiàn)的設(shè)計性能指標(biāo)的仿真結(jié)果對比。如表2所示。

表2 文章與文獻(xiàn)中的振蕩器結(jié)果比較

4 結(jié)束語

文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工藝，采用高階溫度補償電流源以及電流數(shù)字修調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)了一種具有高階溫度補償高精度的RC 振蕩器。仿真結(jié)果表明：在電源電壓為2.5 V~5.5 V，溫度為-40℃~125℃ 條件下，振蕩器輸出中心頻率保持在±0.25% 以內(nèi)。該電路可集成應(yīng)用到一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)中，如可作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）的內(nèi)部時鐘，也可集成單獨的時鐘芯片。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉蘭坤,王占奎.高可靠高穩(wěn)定恒溫晶體振蕩器設(shè)計[J].電子元器件與信息術(shù),2021,5(5):184-185+190.

[2] 韓明浩. 面向MCU的片上RC振蕩器的研究與設(shè)計[D].桂林：廣西師范大學(xué),2022.

[3] 韓明浩,蔣品群,宋樹祥,等.一種應(yīng)用于MCU的低溫漂RC振蕩器設(shè)計[J].電子元件與材料,2022,41(1):76-82.

[4] 肖如吉.自校準(zhǔn)頻率鎖定的高穩(wěn)定性RC振蕩器設(shè)計[D].南京：東南大學(xué),2021.

[5] 鐘翔宇,沈婧雯,王寧,等.一種帶有自動校準(zhǔn)機制的超低功耗RC振蕩器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2018,26(7):156-159+164.

[6] 葛興杰,鄧玉清,高寧,等.一種低電源敏感度線性可調(diào)的RC振蕩器設(shè)計[J].電子與封裝,2019,19(5):27-30.

[7] 唐俊龍,羅磊,肖仕勛,等.一種基于求和型CMOS基準(zhǔn)電流源的RC振蕩器[J].電子世界,2019(3):11-13.

[8] LIU N, AGARWALA R, A. DISSANAYAKE, et al. A 2.5 ppm/°C 1.05-MHz Relaxation Oscillator With Dynamic Frequency-Error Compensation and Fast Start-Up Time[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2019, 54(7):1952-1959.

[9] 鄧玉清,葛興杰,宣志斌.一種高精度RC振蕩器的設(shè)計[J].電子與封裝,2019,19(1):28-31.

[10] 張吉偉,李天望.一種低功耗LDO線性穩(wěn)壓器的設(shè)計[J].中國集成電路,2022,31(Z1):49-53+85.

[11] M.DUKIC, A.GALIMBERTI, M.DEMICHELI,et al. A 11.3-ppm/°C, two temperature points trimmed current generator for precise RC oscillators[C].2019 26th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Genoa, Italy, 2019,254-257.

[12] 林雨佳,范超.一種新型可修調(diào)高精度低功耗RC振蕩器設(shè)計[J].微處理機,2020,41(1):10-13.

[13] 尚林林,周盼,趙鵬.應(yīng)用于電源監(jiān)控芯片的高精度、低功耗RC振蕩器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2022,48(10):43-47+53.

[14] 張鍵,尹志強,楊曉剛.適用于MCU的低功耗、高精度RC振蕩電路設(shè)計[J].電子與封裝,2020,20(11):36-42.

[15] JI Y, LIAO J, S. ARJMANDPOUR, et al. A secondorder temperature-compensated on-chip R-RC oscillator achieving 7.93 ppm/°C and 3.3 pJ/Hz in -40°C to 125°C temperature range[C].2022 IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC), 2022,1-3.

[16] ZHOU W, W. L. GOH, GAO Y. A 1.6 MHz swingboosted elaxation oscillatorwith ± 0.15%/ V23.4 ppm/°C frequency inaccuracy using voltage-to-delay feedback[C].2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019,1-4.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）