北方工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)系 毛帥宇 葉彤旸 郭 紅

低功耗的電流饑餓型環(huán)形振蕩器

北方工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)系 毛帥宇 葉彤旸 郭 紅

本文介紹了一種與溫度無關(guān)的低功耗電流饑餓型環(huán)形振蕩器，與普通RC、LC等振蕩器相比，此振蕩器要求的工作電流更小，因此功耗較小，使用的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約版圖面積。

振蕩器；低功耗；CMOS反相器

0 引言

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，芯片的面積做的越來越小。在面積做小的同時，對于芯片內(nèi)部各模塊的低功耗，高穩(wěn)定，高精度要求也越來越高。其中，振蕩器在在通信，電子，航空航天等領(lǐng)域具有十分廣泛的用途。主要的功能是產(chǎn)生一個時鐘信號。尤其在電子及通信系統(tǒng)中，振蕩器是關(guān)鍵部件，在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)電路和頻率綜合器電路中等更是重中之重。有許多方法能夠產(chǎn)生一個時鐘信號，比如RC振蕩器結(jié)構(gòu)，LC振蕩器結(jié)構(gòu)，環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)等。但如果沒有任何補償電路，振蕩器將持續(xù)理想的工作狀態(tài)。實際上，輸出頻率將很大程度上受到溫度和電路內(nèi)部參數(shù)的影響。為了減輕溫度對于振蕩器輸出的影響，進行了如下電路設(shè)計。

1 功能綜述

本設(shè)計電路（見圖1）為使用反向器構(gòu)成環(huán)形振蕩器的低功耗振蕩器。工作電壓為2.5~5.5V，正常工作電壓為3.3V，正常工作振蕩頻率為315MHz,頻率的誤差在4.7%。工作溫度范圍為-30~80℃，高低溫下工作頻率誤差約為± 0.3%，工作電流為0.3mA。所設(shè)計電路模塊簡單，由一個LDO電路，提供振蕩器的工作電壓，一個溫度補償電路為電流饑餓型反相器提供可控可調(diào)的偏置電流。振蕩器輸出部分接入電平轉(zhuǎn)換電路，進一步保證振蕩器時鐘信號的穩(wěn)定和精確。本電路具有功耗低，工作頻率穩(wěn)定等優(yōu)點，不足之處在于波形不夠規(guī)整導(dǎo)致精確度略有下降。

2 振蕩器

環(huán)形振蕩器由奇數(shù)（三個及以上）個非門輸出端和輸入端首尾相接，構(gòu)成環(huán)狀。這種振蕩器線路簡單，起振容易。振蕩器頻率由每個反相器的延遲時間和級聯(lián)成振蕩器的反相器個數(shù)決定。每個單元的延遲時間由輸入負(fù)載電容、通過的電流和施密特觸發(fā)器閾值電壓決定。為保證輸出時鐘信號的規(guī)整，通常會在振蕩器尾端加入反相器對信號進行緩沖。

電流饑餓型振蕩器不但結(jié)構(gòu)簡單，而且可以通過控制反相器偏執(zhí)電流的大小和負(fù)載電容充放電電流大小來靈活的控制振蕩頻率。本實驗使用了電流饑餓型壓控環(huán)形振蕩器電路。如圖2所示，電路的末端加入了一個反相器對輸出波形進行緩沖。

如公式（1）所示，計算得振蕩器輸出時鐘頻率

公式中N為反相器個數(shù)，C為輸入負(fù)載電容，V為施密特觸發(fā)閾值電壓，通過調(diào)節(jié)工作電流保持輸出時鐘信號穩(wěn)定。

根據(jù)公式可以看出，通過調(diào)節(jié)振蕩器的工作電流大小可以對振蕩器進行調(diào)節(jié)，只要保證電流恒定，就能保證振蕩器輸出頻率工作穩(wěn)定。

圖2 環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)

圖4 BG5電路結(jié)構(gòu)

振蕩器的平均功率為：

一般來說，電流饑餓型振蕩器的輸出要經(jīng)過1~2級反相器緩沖后在輸出。在振蕩器輸出端接一個大電容負(fù)載能夠顯著影響振蕩頻率或?qū)⒃鲆娼档偷阶銐蛐《鴮?dǎo)致振蕩器不再震蕩。

圖3 LDO結(jié)構(gòu)

3 LDO和帶隙基準(zhǔn)

我們使用如圖3所示LDO結(jié)構(gòu)。它包括了一個溫度補償和偏置電路（BG5）、一級放大器、驅(qū)動電流MOS管以及頻率補償電容。BG5電路為環(huán)形振蕩器提供了偏執(zhí)電流和基準(zhǔn)電壓。將基準(zhǔn)電壓通過一級放大器進行放大，達(dá)到振蕩器所需的工作電壓，使振蕩器能夠工作在穩(wěn)定的工作電壓下。

如果給振蕩器偏置電流設(shè)置為一個恒流源，振蕩器的輸出頻率會隨著溫度增加而頻率減小。為了保證輸出頻率的穩(wěn)定，需要BG5電路產(chǎn)生一個有較小的正溫度系數(shù)的偏執(zhí)電流。本設(shè)計采用了溫度補償?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)。如圖4所示中，BG5電路有五部分組成。

啟動電路為電路產(chǎn)生一個開啟電流，當(dāng)后續(xù)電路進入正常工作后關(guān)斷。PTAT偏置電路即為產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流的電路。由于兩晶體管工作在不相等的電流密度下，基極-發(fā)射極電壓差與溫度成正比：

CTAT電路為產(chǎn)生一個負(fù)溫度系數(shù)電流的電路，晶體管具有正溫度系數(shù)特性：

由此可以得到：

圖5 IREF溫度特性仿真

同時BG5電路中還包含一個產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓電路，公式如（9）所示：

圖6（a）的DC工藝角仿真

圖6（b）溫度特性仿真

4 整體電路仿真

對電路整體進行輸出信號仿真如圖7所示。

圖7 振蕩器在工作電壓3.3V下不同溫度下仿真結(jié)果

在正常工作電壓3.3V下，在-30~80℃溫度區(qū)間內(nèi)，本設(shè)計的振蕩器能夠保持315MHz穩(wěn)定工作。具體工作電流仿真如圖8所示，約為0.5mA。相較于RC振蕩器結(jié)構(gòu)來說，RC振蕩器是通過電容充放電來產(chǎn)生時鐘信號。但是如本設(shè)計所要求的315MHz來說，所需求的工作電流會大很多。

圖8（a）3.3V下工作電流仿真

圖8（b）3.3V下FTT頻譜圖

根據(jù)圖8（b）可以看出，3.3V工作電壓下，后續(xù)有五條較小的基頻，為高次諧波造成了，為電路中寄生參數(shù)導(dǎo)致，可以調(diào)整電路設(shè)計進行改良。

圖9 電路整體版圖

5 設(shè)計總結(jié)

本設(shè)計使用了饑餓型環(huán)形振蕩器設(shè)計，影響環(huán)形振蕩器輸出信號的主要是反相器個數(shù)造成的反相器內(nèi)部延遲以及偏置電流的選取。通過控制負(fù)載電容的充放電電流的大小可以靈活控制震蕩頻率。同時與簡單的RC電路相比，具有工作電流小，可調(diào)性靈活等特點。設(shè)計中的溫度補償電路使用了晶體管的特性來產(chǎn)生正負(fù)溫度系數(shù)電流，根據(jù)正負(fù)補償?shù)奶匦院铣伤璧臏囟忍匦噪娏?，結(jié)構(gòu)簡單且方便調(diào)節(jié)所需電流大小。本文的設(shè)計是基于華潤上華0.35μm工藝，仿真工具采用Aether。仿真結(jié)果表明，本振蕩器在3.3V正常工作電壓下，工作電流僅為0.5mA，且工作頻率在-30~80℃內(nèi)穩(wěn)定工作頻率為315MHz，基本實現(xiàn)了設(shè)計要求。

[1]閆琳靜,楊建．一種CMOS電流饑餓型環(huán)形壓控振蕩器．貴州大學(xué)．微型機與應(yīng)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．

毛帥宇，北方工業(yè)大學(xué)，微電子學(xué)系，本科在讀。葉彤旸，北方工業(yè)大學(xué)，微電子學(xué)系，本科在讀。郭紅，北方工業(yè)大學(xué)，微電子學(xué)系，本科在讀。

本文受北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目資助，特此致謝。