低功耗的电流饥饿型环形振荡器

北方工业大学微电子学系 毛帅宇 叶彤旸 郭 红

低功耗的电流饥饿型环形振荡器

北方工业大学微电子学系 毛帅宇 叶彤旸 郭 红

本文介绍了一种与温度无关的低功耗电流饥饿型环形振荡器，与普通RC、LC等振荡器相比，此振荡器要求的工作电流更小，因此功耗较小，使用的环形振荡器结构结构简单，节约版图面积。

振荡器；低功耗；CMOS反相器

0 引言

随着半导体行业的发展，生产技术的不断提高，芯片的面积做的越来越小。在面积做小的同时，对于芯片内部各模块的低功耗，高稳定，高精度要求也越来越高。其中，振荡器在在通信，电子，航空航天等领域具有十分广泛的用途。主要的功能是产生一个时钟信号。尤其在电子及通信系统中，振荡器是关键部件，在锁相环电路、时钟恢复电路和频率综合器电路中等更是重中之重。有许多方法能够产生一个时钟信号，比如RC振荡器结构，LC振荡器结构，环形振荡器结构等。但如果没有任何补偿电路，振荡器将持续理想的工作状态。实际上，输出频率将很大程度上受到温度和电路内部参数的影响。为了减轻温度对于振荡器输出的影响，进行了如下电路设计。

1 功能综述

本设计电路（见图1）为使用反向器构成环形振荡器的低功耗振荡器。工作电压为2.5~5.5V，正常工作电压为3.3V，正常工作振荡频率为315MHz,频率的误差在4.7%。工作温度范围为-30~80℃，高低温下工作频率误差约为± 0.3%，工作电流为0.3mA。所设计电路模块简单，由一个LDO电路，提供振荡器的工作电压，一个温度补偿电路为电流饥饿型反相器提供可控可调的偏置电流。振荡器输出部分接入电平转换电路，进一步保证振荡器时钟信号的稳定和精确。本电路具有功耗低，工作频率稳定等优点，不足之处在于波形不够规整导致精确度略有下降。

2 振荡器

环形振荡器由奇数（三个及以上）个非门输出端和输入端首尾相接，构成环状。这种振荡器线路简单，起振容易。振荡器频率由每个反相器的延迟时间和级联成振荡器的反相器个数决定。每个单元的延迟时间由输入负载电容、通过的电流和施密特触发器阈值电压决定。为保证输出时钟信号的规整，通常会在振荡器尾端加入反相器对信号进行缓冲。

电流饥饿型振荡器不但结构简单，而且可以通过控制反相器偏执电流的大小和负载电容充放电电流大小来灵活的控制振荡频率。本实验使用了电流饥饿型压控环形振荡器电路。如图2所示，电路的末端加入了一个反相器对输出波形进行缓冲。

如公式（1）所示，计算得振荡器输出时钟频率

公式中N为反相器个数，C为输入负载电容，V为施密特触发阈值电压，通过调节工作电流保持输出时钟信号稳定。

根据公式可以看出，通过调节振荡器的工作电流大小可以对振荡器进行调节，只要保证电流恒定，就能保证振荡器输出频率工作稳定。

图2 环形振荡器结构

图4 BG5电路结构

振荡器的平均功率为：

一般来说，电流饥饿型振荡器的输出要经过1~2级反相器缓冲后在输出。在振荡器输出端接一个大电容负载能够显著影响振荡频率或将增益降低到足够小而导致振荡器不再震荡。

图3 LDO结构

3 LDO和带隙基准

我们使用如图3所示LDO结构。它包括了一个温度补偿和偏置电路（BG5）、一级放大器、驱动电流MOS管以及频率补偿电容。BG5电路为环形振荡器提供了偏执电流和基准电压。将基准电压通过一级放大器进行放大，达到振荡器所需的工作电压，使振荡器能够工作在稳定的工作电压下。

如果给振荡器偏置电流设置为一个恒流源，振荡器的输出频率会随着温度增加而频率减小。为了保证输出频率的稳定，需要BG5电路产生一个有较小的正温度系数的偏执电流。本设计采用了温度补偿的电路结构。如图4所示中，BG5电路有五部分组成。

启动电路为电路产生一个开启电流，当后续电路进入正常工作后关断。PTAT偏置电路即为产生正温度系数电流的电路。由于两晶体管工作在不相等的电流密度下，基极-发射极电压差与温度成正比：

CTAT电路为产生一个负温度系数电流的电路，晶体管具有正温度系数特性：

由此可以得到：

图5 IREF温度特性仿真

同时BG5电路中还包含一个产生基准电压电路，公式如（9）所示：

图6（a）的DC工艺角仿真

图6（b）温度特性仿真

4 整体电路仿真

对电路整体进行输出信号仿真如图7所示。

图7 振荡器在工作电压3.3V下不同温度下仿真结果

在正常工作电压3.3V下，在-30~80℃温度区间内，本设计的振荡器能够保持315MHz稳定工作。具体工作电流仿真如图8所示，约为0.5mA。相较于RC振荡器结构来说，RC振荡器是通过电容充放电来产生时钟信号。但是如本设计所要求的315MHz来说，所需求的工作电流会大很多。

图8（a）3.3V下工作电流仿真

图8（b）3.3V下FTT频谱图

根据图8（b）可以看出，3.3V工作电压下，后续有五条较小的基频，为高次谐波造成了，为电路中寄生参数导致，可以调整电路设计进行改良。

图9 电路整体版图

5 设计总结

本设计使用了饥饿型环形振荡器设计，影响环形振荡器输出信号的主要是反相器个数造成的反相器内部延迟以及偏置电流的选取。通过控制负载电容的充放电电流的大小可以灵活控制震荡频率。同时与简单的RC电路相比，具有工作电流小，可调性灵活等特点。设计中的温度补偿电路使用了晶体管的特性来产生正负温度系数电流，根据正负补偿的特性合成所需的温度特性电流，结构简单且方便调节所需电流大小。本文的设计是基于华润上华0.35μm工艺，仿真工具采用Aether。仿真结果表明，本振荡器在3.3V正常工作电压下，工作电流仅为0.5mA，且工作频率在-30~80℃内稳定工作频率为315MHz，基本实现了设计要求。

[1]闫琳静,杨建．一种CMOS电流饥饿型环形压控振荡器．贵州大学．微型机与应用,2011,30(5)．

[2]Hyeonseok Hwang,Chan-Hui Jeong, Chankeun Kwon,Hoonki Kim,Youngmok Jeong,Bumsoo Lee, and Soo-Won Kim,”A 6MHz CMOS Reference Clock Generator with Temperature and Supply Voltage Compensation”:IEEE,Solid-State and Integrated Circuit Technology,Vol．11,pp．49-52,Oct．2012．

[3]Sahakoon Panyai,Apinunt Thanachayanont,”Design and Realization of a Process and Temperature Compensated CMOS Ring Oscillator”: IEEE, Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology ,Vol．9,pp．16-18,May．2012．

[4]Jianguo Tang, Fang Tang,”Temperature and Process IndependentRing-Oscillator Using Compact CompensationTechnic”,IEEE,Anti-Counterfeiting Security and Identification in Communication,Vol．,pp．49-52,July．2010．

毛帅宇，北方工业大学，微电子学系，本科在读。叶彤旸，北方工业大学，微电子学系，本科在读。郭红，北方工业大学，微电子学系，本科在读。

本文受北京市大学生科学研究与创业行动计划项目资助，特此致谢。