一種具有高階溫度補(bǔ)償?shù)母呔萊C振蕩器設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)2022YFG003

0 引言

振蕩器作為一種時(shí)鐘信號(hào)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(huì)在數(shù)字及數(shù)模混合集成電路中扮演極其重要的角色。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(hào)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(hào)。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(jiǎn)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(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方案，得到在較寬的溫度范圍內(nèi)具有與溫度無(wú)關(guān)的電流源電路。此外，針對(duì)工藝會(huì)帶來(lái)的偏差，采用電流數(shù)字修調(diào)電路來(lái)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(jì)重點(diǎn)

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(shí)，開(kāi)關(guān)管M₁導(dǎo)通， M₂關(guān)斷，充電電流I_c對(duì)電容C₁進(jìn)行充電，電容兩端電壓不斷上升，與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)管M₃關(guān)斷，M₄導(dǎo)通，電容C₂同過(guò)開(kāi)關(guān)管M₄對(duì)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(shí)，比較器Comp2的輸出跳變?yōu)?，此時(shí)RS鎖存器的輸出為Q=1，整型反向器的輸出端CLK=1、CLKN=0，開(kāi)關(guān)管M₃導(dǎo)通， M₄關(guān)斷，充電電流I_c對(duì)電容C₂進(jìn)行充電，此時(shí)電容C₁兩端的電壓對(duì)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(shí)，比較器Comp1輸出發(fā)生改變，變?yōu)?，而此時(shí)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(gè)充放電周期，電路形成一個(gè)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(shí)間t₁和放電時(shí)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(gè)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(jì)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(shí)，充電電流I_c 停止對(duì)電容充電，隨之電容開(kāi)始對(duì)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(gè)電容的充放電時(shí)間為一個(gè)振蕩周期。

1.2 RC振蕩器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

在一些高精度的應(yīng)用領(lǐng)域，時(shí)鐘信號(hào)在抗工藝漂移（P）、電源電壓（V）、溫度（T）變化時(shí)要滿(mǎn)足高精度的要求，因此這也是RC振蕩器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)。使用CMOS工藝可有效提高系統(tǒng)集成度和降低成本，但是，實(shí)現(xiàn)高精度振蕩器面臨的以上的問(wèn)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(gè)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(shí)設(shè)計(jì)具有3階溫度補(bǔ)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(duì)模擬電路性能的影響，設(shè)計(jì)低通濾波器將模擬電路與數(shù)字電路隔離起來(lái)；最后，設(shè)計(jì)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(jì)

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(duì)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(gè)運(yùn)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(lái)以獲得良好的溫度特性^[8-9]。而R₇，R₈分別為兩個(gè)相反溫度特性的電阻疊加而成，這里做了簡(jiǎn)化處理。此時(shí)，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(guò)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(xiàn)性穩(wěn)壓器。它以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)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(jī)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(guò)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(shí)，經(jīng)過(guò)反饋電阻分壓，誤差運(yùn)放的負(fù)輸入端也會(huì)變大，此時(shí)誤差運(yùn)放輸出變大，使功率管V_GS變小，流過(guò)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(gè)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(xiàn)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致電源上發(fā)生一定的抖動(dòng)，該抖動(dòng)會(huì)直接傳遞到LDO的輸出端，進(jìn)而會(huì)影響到模擬電路的性能。可以將模擬電路與數(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(xiàn)性區(qū)的PMO 管和NMOS電容形成一個(gè)RC低通濾波器的方式，對(duì)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(dòng)噪聲產(chǎn)生時(shí)，采用這種方式能夠有效的改善電源抖動(dòng)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(shí)際上，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)，再到最后的仿真驗(yàn)證過(guò)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(shí)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(hào)來(lái)控制PMOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，每一位控制一個(gè)開(kāi)關(guān)管。當(dāng)輸出信號(hào)頻率減小時(shí)，會(huì)打開(kāi)更多開(kāi)關(guān)，會(huì)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)， 當(dāng)溫度變化從-40℃~125℃時(shí)， 誤差不超過(guò)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(xiàn)性調(diào)整率來(lái)衡量，線(xiàn)性調(diào)整率越小，LDO輸出電壓精度越高。仿真結(jié)果表明，線(xiàn)性調(diào)整率為5.29 mV/V，誤差不超過(guò)0.5%。如圖8 所示。

圖8 LDO仿真圖

在tt工藝角，溫度27℃ 時(shí)，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(hào)

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(jì)的高精度RC振蕩器與國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的仿真結(jié)果對(duì)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(yǔ)

文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工藝，采用高階溫度補(bǔ)償電流源以及電流數(shù)字修調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種具有高階溫度補(bǔ)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?xún)?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(shí)鐘，也可集成單獨(dú)的時(shí)鐘芯片。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）