【摘要】本文提出了一種能夠在純數(shù)字CMOS工藝中制造的振蕩器。 通過(guò)電荷守恒原理將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓范圍限制在0～VDD之間，使其可以采用低成本的N-阱電阻和MOS電容。測(cè)試結(jié)果表明，振蕩器輸出頻率中心值為1MHz，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

【關(guān)鍵詞】振蕩器;CMOS;低成本

1.引言

眾所周知，振蕩器在集成電路中占有重要的地位。通過(guò)振蕩器的運(yùn)用，可以產(chǎn)生各種不同頻率的周期性的時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器的實(shí)現(xiàn)方式有很多，有通過(guò)恒流源對(duì)電容充放電，并將電容上的電壓與參考電壓進(jìn)行比較以此來(lái)決定輸出是否翻轉(zhuǎn)的振蕩器[1][2][3][4]。文獻(xiàn)[5]中在通過(guò)恒流源對(duì)電容充放電的基礎(chǔ)上，采用LDO對(duì)振蕩器進(jìn)行供電，以減小電源電壓變化對(duì)頻率的影響。上述兩種方案都需要比較精確的電流和電壓參考，在純數(shù)字CMOS工藝的實(shí)現(xiàn)成本也較高。除此以外還有用于PLL的壓控振蕩器（VCO），其頻率范圍較大，不適合作為時(shí)鐘發(fā)生器[6][7]。

圖1所示的振蕩器是一種通過(guò)電阻點(diǎn)電容充放電實(shí)現(xiàn)的振蕩器電路。電路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波形如圖2所示，其中VDD為工作電源電壓。這種結(jié)構(gòu)的振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是不需要用到精確的電流和電壓基準(zhǔn)，且且其振蕩周期由RC常數(shù)決定，與電源電壓無(wú)關(guān)，大約為2.2×R1×C1，成本相對(duì)較低。但是從圖2可以看出，節(jié)點(diǎn)VA的電壓范圍為-1/2×VDD到3/2×VDD，超出了0到VDD的范圍，這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：

（1）當(dāng)VA的電壓達(dá)到3/2×VDD時(shí)，反相器INV1中的NMOS的柵源電壓絕對(duì)值大于VDD，從而容易使NMOS晶體管的柵極被擊穿，造成電路失效;同理，當(dāng)VA的的電壓達(dá)到-1/2×VDD時(shí)，反相器INV1中的PMOS的柵源電壓絕對(duì)值也大于VDD，從而容易使PMOS晶體管的柵極被擊穿，造成電路失效。

圖1 現(xiàn)有的RC環(huán)形振蕩器

圖2 現(xiàn)有的RC環(huán)形振蕩器各節(jié)點(diǎn)電壓波形

（2）在CMOS工藝中，電容C1雖然可以有雙多晶電容、MIM電容和MOS電容（多晶-N阱電容）等多種電容被采用，但是雙多晶電容的制造需要在普通的柵極多晶上添加額外的一層絕緣層和多晶層，而MIM電容的制造需要額外的絕緣層和金屬層，因此雙多晶電容和MIM電容在標(biāo)準(zhǔn)的純數(shù)字CMOS工藝的基礎(chǔ)上均需要增加額外的工藝步驟，成本較高;而MOS電容是由單層多晶和N阱組合實(shí)現(xiàn)的，可在純數(shù)字CMOS工藝中制造，成本較低。同時(shí)由于MOS電容的的電壓系數(shù)較大，為減小多晶-N阱電容受電壓系數(shù)的影響，一般將MOS電容反向并聯(lián)以減小電壓系數(shù)。但是，由于節(jié)點(diǎn)VA的電壓會(huì)達(dá)到-1/2×VDD，將造成P型襯底和N阱之間的寄生二極管導(dǎo)通，使振蕩器工作不正常[8]。

2.電路設(shè)計(jì)

本文對(duì)圖1中振蕩器進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠在純數(shù)字CMOS工藝中能夠?qū)崿F(xiàn)，有效降低成本。

圖3 改進(jìn)后的RC環(huán)形振蕩器

如圖3所示，在原有振蕩器的基礎(chǔ)上，在節(jié)點(diǎn)VA和VC之間加入一個(gè)反相器INV3和反向并聯(lián)的電容C3、C4。其中C1、C2、C3和C4均為MOS電容。為表述方便，這里將C1、C2組成的電容命名為C12，C3、C4組成的電容命名為C34。并設(shè)VDD為電源電壓， C0為電容C34的容值，電容C12的容值為電容C34容值的m倍，反相器INV1的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓值為1/2×VDD，翻轉(zhuǎn)后節(jié)點(diǎn)VA電壓值為VX。

假設(shè)初始狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)VB、VD的電壓為VDD，節(jié)點(diǎn)VC電壓為0。在第一階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)VB通過(guò)電阻R1對(duì)電容C12和C34充電，使節(jié)點(diǎn)VA電壓上升到反相器INV1的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)電壓1/2×VDD時(shí)，INV1的輸出節(jié)點(diǎn)VB電壓由高變低，INV2的輸出節(jié)點(diǎn)VC電壓由低變高，INV3的輸出節(jié)點(diǎn)VD由高變低;反之，在緊接著的第二階段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)VB通過(guò)電阻R1對(duì)電容C12和C34放電，使節(jié)點(diǎn)VA電壓降低到反相器INV1的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)1/2×VDD時(shí)，INV1的輸出電壓由低變高，INV2的輸出節(jié)點(diǎn)VC電壓由高變低，INV3的輸出節(jié)點(diǎn)VD由低變高。

若沒(méi)有INV3和C34的參與，節(jié)點(diǎn)VA的電壓將在-1/2×VDD與3/2×VDD之間變化。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，根據(jù)電荷守恒原理，電容C12和C34翻轉(zhuǎn)前的電荷與翻轉(zhuǎn)后的電荷守恒，第一階段結(jié)束后節(jié)點(diǎn)VA電壓的計(jì)算公式如下：

（1）

第二階段結(jié)束后節(jié)點(diǎn)VA電壓的計(jì)算公式如下：

（2）

取m=3，那么第一階段結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)VA的電壓為VDD，第二階段結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)VA的電壓為0，保證了VA電壓在0～VDD之間，有效解決了MOS管柵極被擊穿和MOS電容寄生二極管導(dǎo)通的問(wèn)題。

改進(jìn)后電路各節(jié)點(diǎn)的電壓波形如圖4所示，震蕩周期約為5.55×R1×C0。

圖4 改進(jìn)后RC環(huán)形振蕩器各節(jié)點(diǎn)電壓波形

3.電路實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法是否正確，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)震蕩頻率為1MHz的振蕩器，取MOS電容C34的電容值C0為1pF，N阱電阻R1阻值為180.2K?。電路采用CSMC 0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造。封裝后測(cè)試結(jié)果表明，振蕩器輸出頻率中心值在1MHz，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

4.結(jié)論

本文針對(duì)目前片上振蕩器成本較高的現(xiàn)狀，提出了一種能夠在純數(shù)字CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)的振蕩器，通過(guò)電荷守恒原理將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓范圍限制在0～VDD之間，使其可以采用低成本的N-阱電阻和MOS電容。本文先從理論上分析設(shè)計(jì)，再用實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)，并在CSMC 0.18μm純數(shù)字CMOS工藝制造，封裝后測(cè)試結(jié)果表明，振蕩器輸出頻率中心值為1MHz，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

參考文獻(xiàn)

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[2]Xuan Zhang，Apsel，A.B.，“A Low-Power， Process-and- Temperature-Compensated Ring Oscillator With Addition-Based Current Source”，IEEE Transactions on Circuits and Systems，Part I：Regular Papers，1549-8328，Volume 58，Issue 5，2011，Pages 868-878.

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[7]Yang，Y.-C.Lu，S.-S.，“A Single-VCO Fractional-Frequency Synthesizer for Digital TV Tuners”，EEE Transactions on Industrial Electronics，0278-0046，Volume 57，Issue 9，2010，Pages 3207-3215.

[8]Behzad Razavi，“Design of Analog CMOS Integrated Circuits”，McGraw Hill Higher Education，2000.

作者簡(jiǎn)介：周小爽（1978—），男，2006年4月畢業(yè)于浙江大學(xué)電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)供職于杭州士蘭微電子股份有限公司，主要從事混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)。