一种采用全MOS器件补偿温度和沟调效应的电流控制环形振荡器

李凡阳, 杨 涛

(福州大学物理与信息工程学院, 福建省集成电路设计中心, 福建 福州 350116)

一种采用全MOS器件补偿温度和沟调效应的电流控制环形振荡器

李凡阳, 杨 涛

(福州大学物理与信息工程学院, 福建省集成电路设计中心, 福建 福州 350116)

提出一种全MOS器件补偿温度和沟 调效应电流控制环形振荡器， 以减小通信时钟恢复电路振荡器的振荡频率偏移. 与传统振荡器相比， 该振荡器采用全MOS器件设计温度和偏置电流补偿电路， 在增强可靠性的情况下降低了温度和沟调效应引起的频率偏移. 电路采用0.35 μm标准MOS工艺设计， 通过与传统振荡器性能进行仿真比较， 该方法振荡频率的偏移量得到明显改善.

MOS器件； 振荡器； 频率偏移

0 引言

在通信时钟恢复电路中， 为尽量扩大输入信号动态范围， 急需减小振荡器振荡频率偏移. 在传统振荡器中， 电流控制环形振荡器频率的精度取决于振荡器细胞中的偏置电流. 为解决频率偏移问题， 目前采用一阶或者二阶温度补偿. 然而， 由于采用BiCMOS工艺设计电路达到对频率补偿的目的[1]， 将增加芯片成本. 为降低成本， 可采用标准MOS工艺设计电路[2-4]. 但由于所采用的寄生双极管的物理模型不精确， 可靠性将无法保证; 同时镜像电流产生电路的沟道效应导致高、 低电平的时间偏差， 使得频率偏移更加严重. 为提高环形振荡器的频率偏移性能， 本研究采用全MOS器件补偿温度和偏置电流， 以减轻由温度和沟道效应引起的频率偏移， 同时增强电路的可靠性.

1 工作原理

提出的补偿方法具体工作原理如图1所示. 环形振荡器由温度和沟调效应引起的偏置电流变化量分别为： ΔItemperature和ΔIchanneling. 通过设计另一随温度反向变化的偏置电流变化量和负反馈环路， 以减小上述两个非理想因素引起的电流变化， 详见图1所示. 因此， 通过上述补偿方法， 环形振荡器单元的偏置电流Imirror1和Imirror2应表达为:

其中：Iref为振荡器偏置电流的标准参考电流；Aopen_loop为环路的开环增益. 根据以上分析可得出， 电流随温度和沟调效应变化导致的偏置电流变化可大为减小.

图1 补偿方法工作原理示意图Fig.1 Illustration of the proposed compensation principle

2 电路实现

2.1 温度补偿电路

图2 温度补偿电路的拓扑结构 Fig.2 Topology of the temperature compensation

基于上述原理， 温度补偿电路的实现如图2所示. 其主要由M1～M4镜像晶体管、 MOS等效电阻M6～M8晶体管所组成. MOS等效电阻M6始终工作于线性区， M7, M8晶体管在亚阈值区工作， 而其他管子都工作于饱和区. 随着温度升高， 由MOS管M6～M8产生的PTAT电流I2和其镜像电流I3共同调节M6的MOS等效电阻值, 从而实现电流与温度的无关.

根据上述对补偿电路的分析， 生成的镜像电流I3可以表示为下列方程：

其中：Ron-M6是MOS管M6的等效电阻；N是MOS管M7, M8的宽长比之比. 根据以上分析， 补偿电路所产生的电流I3的变化应等同于：

另一方面， MOS电阻的M6的阻值应表达为：

其中：VGS和VDS分别为M6的漏源电压和栅源电压. 过驱动电压VGS-VTH和迁移率μ与温度t的关系可近似表示为：

根据以上分析， 通过调整电阻M6的宽长比以及电流I2和镜像电流I3的补偿， M6的源漏压降VDS和温度t的关系可满足：

即M6等效电阻随温度的变化可调整为：

2.2 沟调效应补偿电路

为调整高低电平时间的对称性(进一步减少振荡器的偏移频率)， 沟调效应补偿电路实现如图3所示. 采用NMOS管镜像电流补偿电路， 晶体管M1的漏源电压为参考电压VDD/ 2， 其通过负反馈环路(由MOS管M1和微放大器Amp1组成)校准沟道效应引起的镜像电流的误差[5].

镜像电流与高低逻辑电平之间的关系分析如下： 两个镜像电流源Imirror1, 2在VDD/ 2 参考电压的输出应表达为：

图3 沟调效应补偿电路的拓扑结构Fig.3 Topology of the channeling effect compensation

其中：VDS-M2和VDS-M3是MOS管M2和M3的源漏电压， 即七级环形振荡器高低电平的持续时间可定义为：

设计中令VDS-M2=VDS-M3， 即通过利用沟道效应补偿电路， 镜像电流的误差可实现最小化， 所造成的高和低的逻辑电平之间的时间偏差以及所造成的频率偏移也可以相应减少.

3 仿真结果

采用Cadence 0.35 μm CMOS工艺进行电路设计， 在3 V电源电压下对传统和所提出的七级环形振荡器拓扑结构(振荡参考频率为1 MHz)进行仿真.

3.1 与温度变化有关的频率偏移

随着温度从-20变化到80 ℃， 传统和所提出的拓扑结构的频率偏移如图4所示. 从图4可以看出, 所提出的拓扑结构的振荡频率偏移大为减小.

图4 频率偏移性能对比 Fig.4 Comparison of the frequency offset

3.2 随温度变化高低电平时间偏移

而传统和所提出的拓扑结构的高低电平时间偏移如图5所示. 从图5可以看出， 所提出的拓扑结构的高低电平的时间偏差大为减小.

图5 高低电平时间偏差对比 Fig.5 Comparison of the high and low logic time offset

4 结语

介绍了全MOS器件补偿温度和沟调效应方法， 以降低电流控制振荡器偏移频率. 随后给出了电路实现以及仿真结果. 根据仿真结果， 对相应的电路进行补偿， 该技术实现了沟道效应和温度影响最小化的环形振荡器， 其频率偏移已大为减小.

[1] LI J K, XIONG YZ, HE J,etal. A Q-band frequency synthesizer in 0.13 μm SiGe BiCMOS[J]. Progress in Electromagnetics Research C, 2014, 47: 19-28.

[2] 赵晨光， 冯全源， 王丹. 一种用于AC-DC的低温漂自启动振荡器的设计[J]. 微电子学, 2015(2): 213-216.

[3] 董春雷， 宁振球， 金星， 等. 一种带温度补偿的高精度片上RC振荡器[J]. 微电子学, 2015(1): 58-62.

[4] 刘智， 魏海龙， 袁雅玲， 等. 一种用于DC-DC转换器的精密振荡器设计[J]. 半导体技术, 2009 (1): 14-16; 20.

[5] JANG S L, TU D A, CHANG C W,etal. A low power push-push differential VCO using current-reuse circuit design technique[J]. Progress in Electromagnetics Research C, 2012, 27: 85-97.

Atemperatureandchannelingeffect-minimizedcurrentcontrolledringoscillatorusingallMOSdevices

LI Fanyang， YANG Tao

(Centre Integrated Circuit Design of Fujian Province, College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

A temperature and channeling effect-minimized current controlled ring oscillator (CCO) using all MOS devices is presented, for the improved frequency offset of the oscillator in the communication system’s clock recovery circuit. Compared with the conventional oscillator, the oscillator is characterized by the all MOS devices designed temperature and bias current compensation circuits, so as to strengthen the oscillator ’s reliance and alleviate the frequency offset caused by the temperature and channeling effect, respectively. Simulated with a 0.35 μm standard MOS process and compared with that of the conventional one, the results shows that the frequency offset performance of the oscillator has been significantly improved.

MOS devices; ring oscillator; frequency offset

10.7631/issn.1000-2243.2017.05.0659

1000-2243(2017)05-0659-04

TN43

A

2016-06-20

李凡阳(1983-)， 讲师， 主要从事模拟与混合信号集成电路设计研究， t12046@fzu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(61501122)

(责任编辑： 沈芸)