一种新型可修调高精度低功耗RC振荡器设计

林雨佳，范 超

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

随着半导体行业发展，CMOS 工艺的不断提高，芯片的尺寸越来越小。对芯片内部的各个功能模块低功耗、高稳定、高精度等要求越来越高[1]。在集成电路领域，无论是数字集成电路中还是混合集成电路中，都使用振荡器电路，如半桥驱动器、MCU 等电路。振荡器模块作为系统时钟产生的关键部件，广泛应用于电子及通信系统中，尤其在锁相环电路、时钟恢复电路中更是重中之重[2]。所以，以CMOS 工艺为基础的可修调RC 振荡器[3-5]成为近年的研究重点。

一般的RC 振荡器输出频率容易受环境温度影响，温度特性较差。为了得到更好的温度特性，提出一种新型可修调高精度RC 振荡器，通过修调手段提高温度特性，使输出频率变化控制在0.5%以内。

2 现有技术中的一种振荡器

振荡器通过逻辑控制器使能可控开关对电容器进行充放电来完成振荡波形输出。如图1 所示为现有技术中的一种振荡器的简化示意图，振荡器主要由比较器、电容、可控开关和逻辑控制器构成。由开关通断控制电容充放电的工作状态，比较器的两个输入端分别是电容电压和所设置的阈值电压，当电容电压高于比较器阈值电压时，逻辑控制器输出的方波信号将会使可控开关1 断开，可控开关2 导通，此时电容电压下降。当电容电压低于比较器阈值电压时，逻辑控制器输出的方波信号将会使可控开关2 断开，可控开关1 导通，此时电容电压上升。此过程不断反复产生连续不断的振荡波形。

图1 现有技术中的一种振荡器

振荡器的每个时钟周期由三部分时间组成：电容的充电时间tcharge，电容的放电时间tdischarge和比较器和逻辑控制器的延迟时间tdelay，则最终时钟的频率为：

由公式(1)可以看出，这种方式产生的时钟频率不仅与电容的充放电时间有关，而且还与比较器和逻辑控制电路的延时有关。随着电容充放电的电压变化，比较器输出信号经过逻辑控制器触发可控开关的时间，与电容电压达到跳变值的时间相比要延后一段时间。在延后的时间段内电容电压仍然在上升或下降，因此输出电压带有误差，电压频率也产生误差。图1 振荡器结构中的比较器和逻辑控制器存在的延时现象，即使选择高速器件或简易逻辑控制方式也不可避免延时带来的影响。

通常工程上认为比较器和逻辑控制电路的延时时间tdelay 是振荡器频率温度系数差的主要误差来源。当时钟频率较高时，tdelay 的影响会更加突出，所得到的时钟频率受温度影响也就越大。理论上减少这项误差的绝对值会降低误差的温度变化量，但实际中任何电路结构都存在不同程度的延迟。不同温度情况延时的程度不同，使得环境温度不同时电容充放电时间不同，导致电压频率受到温度影响。

因此，需要提供一种可对延迟时间进行温度补偿的振荡器，以解决上面提到的问题。

3 新型可修调高精度RC振荡器设计

新型可修调高精度低功耗RC 振荡器的结构如图2 所示，包括两个比较器、逻辑控制器、两个电容器和修调阵列等。其中振荡器模块电源VDD 是由系统内部LDO 输出提供。Rtrim1、Rtrim2 为可修调电阻阵列，通过修调电阻比例，可调节比较器阈值电压VB，从而调节时钟频率。Ctrim1、Ctrim2 为可修调电容阵列，通过修调电容可调节充电速度，改变时钟频率。PTC、NTC 分别为正温度系数电阻和负温度系数电阻，用来补偿充电电流温度变化对输出时钟的影响。

图2 新型可修调高精度RC 振荡器

3.1 振荡器中的比较器电路

图3 为新型振荡器中的比较器电路，通过调节比较器输出阻抗，引入一个或正或负输入失调电压，通过调节比较器延迟的极性和大小，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

编程寄存器修调码，比较器[6-8]将会产生的输入失调电压ΔV 时。如果ΔV 为正，当VP 端电压大于VN 端电压至少一个时，mp2 导通，mp1、mn1、mn2 关断，比较器输出为高，否则输出为低。如果ΔV 为负，当VP 端电压小于VN 端电压至少一个时，mp1、mn1、mn2 导通，mp2 关断，比较器输出为低，否则输出为高。

图3 新型振荡器中的比较器电路

输入失调电压ΔV 的正负和大小由修调码控制，修调码可分为低三位Trim＜0：2＞和高三位Trim＜3：5＞, 码数越小，有源负载阻抗越大，需要注意的是，无论是低三位还是高三位均不能出现000 码，因为这样不能形成通路，比较器将无法正常工作。

mp1 和 mp2 为放大管 ，mn1、mn2、mn3、mn4、mn5、mn6、mn7、mn8 组成比例电流源作为有源负载，mn3～mn8 的器件宽长比依次为 1：2：4：4：2：1，编程6 位寄存器修调码，可分别控制mn3～mn8 的开关状态，这些管子导通之后的阻抗与他们的宽长比成反比。这样通过修调寄存器调节比较器输出阻抗，引入一个或正或负输入失调电压，通常比较器延迟的极性和大小，直接决定其温度系数，例如，比较器延迟为正值，那么其温度特性为正，反之亦然。这样的话无论后级数字逻辑的延迟时间呈现出怎样的温度特性，都可以通过寄存器给出的修调码进行调节。

对修调寄存器进行编程，控制放大器有源负载的输出阻抗，引入一部分输入失调电压，调节比较器延迟的绝对值，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

3.2 振荡器中的逻辑控制电路

图4 为新型振荡器中逻辑控制电路，信号A 与信号B 互为反相信号，当A 由低变高、B 为由高变低时，信号A 将mn1 导通，E 点电压为低，经过反相器 INV1，输出信号 D 为高；信号 B 将 mn2 关断，此时，F 点信号由于延迟电路buffer2 的存在，仍保持上一状态高电平，与信号D 做与非逻辑，与非门NAND2 输出一个瞬间低脉冲，将mp4 导通，G 点电压为高，经过反相器INV2，输出信号C 为低，将mp3导通，将G 点信号锁在高电平状态，直到B 信号高电平到来。这样的逻辑处理，使振荡器脉冲宽度只与电容的充电时间有关，且占空比为50%。

图4 新型振荡器中的逻辑控制电路

3.3 电路仿真

电路采用0.5μm CMOS 工艺进行设计，使用Spectre 软件进行电路仿真，仿真结果如表1 所示。

表1 电路仿真数据 单位：MHz

4 结束语

本论文给出了一种0.5μm CMOS 工艺下设计的可修调高精度RC 振荡器电路，该电路采用双斜坡与偏置电压轮流比较的工作方式实现高频时钟。这种做法的优势是振荡频率只与充电时间有关，而与放电时间无关，不考虑放电时间延迟对频率的影响。并且对修调寄存器进行编程，控制放大器有源负载的输出阻抗，引入一部分输入失调电压，通过调节比较器延迟的极性和大小，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。该电路已应用在某8 位微处理器中作为24MHz 内部振荡器，该电路在温度范围为-55℃～125℃时，未进行修调的振荡器受温度影响，频率变化范围为1%，经过修调之后的频率变化可控制在0.5%以内。