一种带有自动校准机制的超低功耗RC振荡器设计

钟翔宇 ，沈婧雯 ，王 宁 ，陈运生 ，李彦武

（1.国网湖南省电力公司信息通信公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410002；3.国家电网公司信息通信分公司，北京100761）

随着电子科技水平的高速发展，集成电路芯片已广泛应用于医疗、金融、消费等各个领域。各类电子产品，比如手机、手持娱乐设备等，对于性能和功耗的要求越来越高，运算速度、运行功耗、设备续航时间指标等已经成为电子产品的核心考量要素。因此高性能集成电路芯片，特别是超高速、超低压、低功耗的集成电路芯片己经成为电路领域的研究热点。振荡器作为电路系统中一种非常基本，同时十分重要的电路，也在朝着高速、低功耗的方向发展[1-6]。

振荡器通常在通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。一般而言，振荡电路主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。LC振荡器特点是起振速度快，增益大，功耗高，一般应用于GHz甚至10 GHz等高频场合。晶体振荡器稳定度高，选频效果好，体积小，因此广泛作为时钟参考源，提供低频基准信号。RC振荡器特点是工作频率较低，功耗低，易于片内集成，缺点是频率稳定度较差，频率波动范围大。因此，目前RC振荡器主要广泛应用于数字电路芯片时钟信号的产生[5-8]。

1 传统RC振荡器

如图1所示为传统RC振荡器电路图。输入参考电压Vref经过运算放大器后，将电阻R上的电压固定，产生一个恒定的电流源Iref。通过镜像电路后，该电流源在后端比较器输出信号CLK的控制下对电容进行充放电。初始状态时，电容两端电压为0，此时CLK开关闭合，后端比较器接入高电平VH，电流源对电容进行充电。当电容两端电压逐渐升高超过VH时，比较器输出低电平，此时------CLK打开，比较器输入VL，电容开始对地进行放电。当电容放电电压低于VL时，比较器输出高电平，即CLK变为高电平，又开始对电容进行充电操作。如此周而复始，形成振荡，电容两端产生三角波信号，同时比较器输出一个方波时钟信号CLK[10-12]。

图1 传统RC振荡器

传统的RC振荡器结构简单，易于片内实现，但是输出时钟信号频率精确度容易受电压波动，温度偏差，以及工艺偏差的影响，难以保持一定的频率精度。因此，很多设计者采用电流修调电路，或者对称设计等方式来补偿温度和工艺偏差[12-14]。

2 带自动校准的超低功耗RC振荡器设计

本次设计的振荡电路由4个部分组成，分别为：启动模块，参考电流产生模块，充放电模块和自动校准模块。电容阵列和电阻阵列由自动校准电路模块输出控制，通过调节阵列控制数值，实现精准的频率输出。为了尽可能的降低电流消耗，可以通过合理的参数设计，让电流源产生模块中MOS管都工作在弱反型或亚阈值区域，达到降低功耗的目的。当MOS管上的Vgs接近其阈值电压Vth时，MOS管工作在弱反型区（或亚阈值区），在结构上类似于两个背靠背的二极管相连。这样我们分析时，可将其看成横向的BJT的结构，不过与一般的BJT不同的是，这里的漏极电压是栅电压在栅电容和耗尽层电容之间的分压。可以得到亚阈值区时的电流方程：

从该式中可以看到，当VDS>3VT时，括号里面的值近似等于1，这样VDS的变化基本不会对IdS造成影响，MOS管此时的工作状态和饱和区状态一样，可以将其当成稳定的电流源。同时MOS在亚阈值状态下工作时，是没有导电沟道的，通过的电流很小，从而达到降低整个芯片功耗的目的。

图2 超低功耗RC振荡器电路图

图2所示为本次设计的超低功耗RC振荡器电路图。启动电路由M1、M2、M3、M4和M22构成。启动电路阻止所有的自偏置电路工作在零偏置点附近，在电路上电后立即开始工作，向需要启动的电路注入电流，破坏电路的简并点，使之处在正确的工作状态，保证电路能够正常起振。

M5～M11构成电流源电路，电流通过镜像电路馈送到电容支路，对电容进行充电，引起M15的栅极电压变化。如图3所示，当电路刚开始启动时，电容两端电压为0，M15栅极电压为0，此时M14导通，电流通过M14对电容进行充电。随着电容电压Vc的升高，M15栅极电压逐渐上升，当VC>Vth时，M15开始导通，M14关闭，电容又开始对地进行放电。直至电容电压VC低于 M15阈值电压Vth后，VC＜Vth，M14又重新打开，电流I5重新开始对电容进行充电。如此周而复始，产生振荡信号[15-18]。

电容的电压变化量可以表示如下：

其中，电流可由下式计算得出：

将（3）带入（2）得：

由此，可得到输出振荡频率为：

可以看到，参考电压的波动，温度和工艺的差异会对输出频率产生很大的影响，难以维控制输出频率精度。因此，本文采用自动校准机制来调节电容电阻阵列，实现稳定准确的频率输出。

图3 电容充放电波形图

3 自动校准机制原理

如图4所示，自动校准电路内部包括计数器、比较器、编码器等电路模块。自动校准的基本原理就是通过比较38.4 MHz和晶振输出频率，改变输出电容、电阻阵列的值，来达到频率校准的目的。计数器的作用就是在一个振荡器输出周期内记录下晶振信号的周期个数，晶振信号每输出一个上升沿就加1。每一个32 kHz周期内，应该会有1 200个晶振信号，即：38.4 MHz/32 kHz=1 200。因此计数器的参考值为1 200，当计数器计数为1 200时，编码器将此时的电容、电阻阵列输出保存至振荡器电路中，校准完成，晶振电路和校准电路也随之关闭。

如图5所示为自动频率校准流程:首先随着RC振荡信号和参考晶振信号的输入，计数器开始工作，在一个RC振荡周期内记下数值N。

1）粗调第一阶段：

①当1 100＜N＜1 150时，增加电阻阵列的数值来降低RC振荡器输出频率，同理：

②当1 250＜N＜1 300时，减小电路阵列数值来提高振荡器输出频率。

2）粗调第二阶段：

当1 150＜N＜1 250时，通过调节电阻阵列数值，来快速改变输出频率，达到1 180＜N＜1 220。至此，粗调完成，进入细调阶段。

3）细调阶段，通过逐一扫描6比特的电容阵列数值，使得计数1 198＜N＜1 202，实现准确的频率输出。校准过程至此完毕，关闭校准电路和晶振模块，最终频率误差控制在1%以内，满足设计要求。

图4 自动校准模块示意图

4 仿真结果分析

本文采用TSMC 180nm工艺设计了一种超低功耗、带有自动校准模块的32 kHz RC振荡器，通过Cadence Spectre对电路进行了仿真。

在1.8 V供电电压下，总电流消耗为0.15 μA。经过设置各种仿真条件进行后仿真（ff、tt、ss 3种Corner，温度从-40～85℃，电压从1.5～2.1 V），最终仿真结果如下：如图6所示为振荡器起振稳定时间小200 μs。如图7所示，振荡器最终输出频率能够稳定在32 kHz。如图8所示为输出频率功率谱密度。目前正在等待流片回来，将进一步完成流片结果测试。

图5 自动校准流程图

图6 RC振荡器输出波形图

图7 RC振荡器输出频率

图8 RC振荡器输出频率功率谱密度图

5 结束语

本文设计了一种超低功耗、高精度、带有自动校准机制的RC振荡器电路。通过自动校准电路补偿了温度差异、工艺偏差、电压波动对于振荡器输出频率的影响。最终仿真结果表明电路总电流消耗为0.15 μA，能够在各种环境下稳定输出32 kHz振荡信号。本次设计的振荡电路满足超功耗条件下的应用需求。芯片测试结果需等待流片回来作进一步完善。

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