楊鑫波　陳林林

摘要：本文基于常見RC振蕩器電路結(jié)構(gòu)，在分析其輸出頻率不穩(wěn)定因素的基礎(chǔ)上提出了一種高精度溫度補(bǔ)償RC振蕩電路，并設(shè)計了數(shù)字修調(diào)電路校正工藝角偏差，設(shè)計毛刺濾除電路消除起振毛刺。基于UMC的0.162μm工藝，振蕩器輸出中心頻率為20MHz，在-40℃～125℃的溫度范圍內(nèi)其穩(wěn)定性在±1.4%以內(nèi)。該電路已在一款A(yù)M-OLED驅(qū)動芯片中使用，作為數(shù)字電路和電荷泵模塊的工作時鐘。

關(guān)鍵詞： RC振蕩器；溫度補(bǔ)償；數(shù)字修調(diào)；毛刺濾除

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0256-03

Abstract： Based on theoretical analysis of unstable output frequency in the traditional RC oscillator， an oscillator structure with high precision was proposed. Moreover， the process corner and initial glitch are considered and resolved. Based on UMC 0.162μm process ，the results showed that the proposed circ- uit could generate a sqare-wave signal with 20MHz frequency， and it had a frequency variation within ±1.4% when the temperature changed from -40℃ to 125℃. This circuit has already used in an AM-OLED driving chip as the work clock for digital circuit and charge-pump module.

Key words： RC oscillator； digital calibration； glitch filter

1 概述

RC振蕩器以其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、功耗較小、頻率易調(diào)和易于集成等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在數(shù)模混合電路系統(tǒng)中[1，2]。但在實(shí)際應(yīng)用中其輸出頻率也存在穩(wěn)定性較差，易受電源電壓、環(huán)境溫度、元器件的電學(xué)特性影響的缺點(diǎn)。在一些高精度要求的應(yīng)用中，常見RC振蕩器性能不能滿足要求，因此如何提高穩(wěn)定性就成為RC振蕩器重要的研究發(fā)展方向[3]。

2 經(jīng)典RC振蕩器

其中，（4）式是電路可以工作的最高頻率，但這種情況下的頻率不可調(diào)且穩(wěn)定性差，因此一般會使電路工作在（5）式情況下。由（5）式可知，時鐘周期T的精度受td、C和IC的影響（Vr來自基準(zhǔn)電壓，可忽略），也即是受溫度和工藝角變化影響[5]。為了減小這些因素的影響本文提出的振蕩器電路主要作了以下幾方面的改進(jìn)：1）設(shè)計數(shù)字修調(diào)電路，通過寄存器配置電流IC的大小，用來校正工藝偏差引起的輸出頻率漂移；2）設(shè)計用來調(diào)節(jié)電流IC隨溫度變化曲線的斜率來補(bǔ)償輸出頻率的溫度特性；3）設(shè)計毛刺消除電路來抑制起振初期時鐘毛刺，避免對后級電路產(chǎn)生影響。

3.1 工藝角補(bǔ)償

實(shí)際芯片在流片過程中由于工藝角偏差會導(dǎo)致不同批次的芯片輸出中心頻率出現(xiàn)漂移，因此設(shè)計了數(shù)字修調(diào)電路來調(diào)整頻率，如圖3所示。

圖3中，IS是輸入電流源，充放電電流IC通過兩級修調(diào)，第一級是S0～S3，第二級是S4～S9，采用兩級修調(diào)的原因是為了減少管子數(shù)量以節(jié)約面積。當(dāng)S0～S3為1111，S4～S9為000000時，IC最小，此時輸出頻率最低；當(dāng)S0～S3為0000，S4～S9為111111時，IC最大，此時輸出頻率最高；設(shè)計時寄存器一般默認(rèn)配置為中間值，即S0～S9為0111100000，以保證中心頻率在兩個方向上有最大的調(diào)整范圍。此外，電路中的大電容C3和C4用來穩(wěn)定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓，提高電路穩(wěn)定性。

3.2 溫度補(bǔ)償

（4）式中影響時鐘頻率的因素有td、C和IC，要達(dá)到較好的溫度補(bǔ)償效果，可以利用這幾個量不同的溫度特性相互抵消補(bǔ)償。采用UMC的0.162μm工藝，電容C隨溫度升高而減小，導(dǎo)致頻率上升，而td隨溫度升高而增大，導(dǎo)致頻率下降，但總得來看，td的增大不足以抵消C的減小，這就需要通過調(diào)整充電電流IC的溫度特性來進(jìn)一步補(bǔ)償。由圖3可知，IC是由IS鏡像而來，因此其與IS有相同的溫度特性。本文設(shè)計的IS溫度曲線斜率可調(diào)電路如圖4所示。

IS是三種電流按不同比例求和而成，分別是與溫度成正比的電流IPTAT、與溫度成反比的電流ICTAT和與溫度無關(guān)的電流Iref。通過配置寄存器B0～B3和A0～A2可以調(diào)節(jié)IS隨溫度變化曲線的斜率。當(dāng)A0～A2為000，B0～B3為1111時，IS隨溫度升高而減小且下降速度最快，反之則最慢。合適的寄存器配置可以很好的補(bǔ)償輸出頻率的正溫度特性，使其在全溫范圍內(nèi)相對穩(wěn)定。

3.3 起振毛刺濾除電路

由于振蕩器在起振初期電路中各節(jié)點(diǎn)電壓沒有完全建立，輸出波形會有一段時間的毛刺產(chǎn)生，。本文設(shè)計專門的電路來濾除該毛刺，如圖5所示。

圖5中，en是振蕩器起振使能，高電平有效，起振有效后en的一路使能振蕩電路，輸出中間時鐘信號V03，其前幾個周期可能會有毛刺，而另一路經(jīng)delay、施密特觸發(fā)器和D觸發(fā)器處理，得到輸出使能CLK_EN，在該輸出使能有效前，最終時鐘信號CLK被屏蔽。通過調(diào)節(jié)電路中delay單元延時大小，可以保證最終輸出CLK是沒有毛刺的穩(wěn)定時鐘，可以被后級數(shù)字邏輯直接使用。

4 仿真結(jié)果及版圖設(shè)計

4.1 仿真結(jié)果

采用UMC的0.162μm工藝，輸出中心頻率為20MHz。表1給出了溫度補(bǔ)償結(jié)果，圖6是毛刺濾除電路效果。由表1可知輸出頻率受溫度變化的影響在±1.4%以內(nèi)。由圖6可以看出起振初期的時鐘信號有一段時間的不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過毛刺濾除電路處理后，最終得到穩(wěn)定的輸出時鐘。

4.2 版圖設(shè)計

本文設(shè)計的振蕩器電路基于UMC的0.162μm工藝?yán)L制版圖，最終的版圖如圖7所示。由于振蕩器電路結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格對稱性，電路中有大量的電流鏡，因此版圖設(shè)計中要特別注意布局上的對稱要求，此外還要做好保護(hù)隔離等措施。

5 總結(jié)

本文在介紹經(jīng)典RC振蕩器工作原理，分析其輸出頻率不穩(wěn)定因素的基礎(chǔ)上提出了一種高精度的振蕩器電路，采用充放電電流斜率調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并設(shè)計了數(shù)字修調(diào)電路和毛刺濾除電路來校正工藝角偏差和消除起振毛刺。本文設(shè)計的振蕩器輸出中心頻率為20MHz，在-40℃～125℃的溫度范圍內(nèi)其穩(wěn)定性在±1.4%以內(nèi)。本設(shè)計電路已在一款A(yù)M-OLED驅(qū)動芯片中使用，作為數(shù)字電路和電荷泵模塊的工作時鐘。

參考文獻(xiàn)：

[1] 拉扎維. 模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].陳貴燦，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[2] Gray Paul R， Hurst Paul J， Lewis Stephen H， Meyer Robert G. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M]. Fourth Edition， John Wiley & Sons Pte. LtdPublish， 2001.

[3] 劉超，李昌紅，于臻，等. 一種低電源電壓靈敏度RC振蕩器的設(shè)計[J]. 微電子學(xué)，2012，42（1）：30-33

[4] 周小軍，李平，杜濤. 一種高精度數(shù)字可調(diào)RC振蕩器設(shè)計[J]. 電子科技，2007（9）： 13-16， 21.

[5] Bo Wang， Myeong-Lyong Ko， Qi Yan. “A high-accuracy CMOS on-chip RC oscillator[C]. 10th IEEE Int conf Sol Sta Integr Circ Tech. Shanghai， China. 2010： 400-402.