鐘翔宇 ，沈婧雯 ，王 寧 ，陳運(yùn)生 ，李彥武

（1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司信息通信公司，湖南長(zhǎng)沙410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司長(zhǎng)沙供電分公司，湖南長(zhǎng)沙410002；3.國(guó)家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京100761）

隨著電子科技水平的高速發(fā)展，集成電路芯片已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、金融、消費(fèi)等各個(gè)領(lǐng)域。各類(lèi)電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、手持娛樂(lè)設(shè)備等，對(duì)于性能和功耗的要求越來(lái)越高，運(yùn)算速度、運(yùn)行功耗、設(shè)備續(xù)航時(shí)間指標(biāo)等已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的核心考量要素。因此高性能集成電路芯片，特別是超高速、超低壓、低功耗的集成電路芯片己經(jīng)成為電路領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。振蕩器作為電路系統(tǒng)中一種非常基本，同時(shí)十分重要的電路，也在朝著高速、低功耗的方向發(fā)展[1-6]。

振蕩器通常在通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。一般而言，振蕩電路主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。LC振蕩器特點(diǎn)是起振速度快，增益大，功耗高，一般應(yīng)用于GHz甚至10 GHz等高頻場(chǎng)合。晶體振蕩器穩(wěn)定度高，選頻效果好，體積小，因此廣泛作為時(shí)鐘參考源，提供低頻基準(zhǔn)信號(hào)。RC振蕩器特點(diǎn)是工作頻率較低，功耗低，易于片內(nèi)集成，缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度較差，頻率波動(dòng)范圍大。因此，目前RC振蕩器主要廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路芯片時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生[5-8]。

1 傳統(tǒng)RC振蕩器

如圖1所示為傳統(tǒng)RC振蕩器電路圖。輸入?yún)⒖茧妷篤ref經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器后，將電阻R上的電壓固定，產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流源Iref。通過(guò)鏡像電路后，該電流源在后端比較器輸出信號(hào)CLK的控制下對(duì)電容進(jìn)行充放電。初始狀態(tài)時(shí)，電容兩端電壓為0，此時(shí)CLK開(kāi)關(guān)閉合，后端比較器接入高電平VH，電流源對(duì)電容進(jìn)行充電。當(dāng)電容兩端電壓逐漸升高超過(guò)VH時(shí)，比較器輸出低電平，此時(shí)------CLK打開(kāi)，比較器輸入VL，電容開(kāi)始對(duì)地進(jìn)行放電。當(dāng)電容放電電壓低于VL時(shí)，比較器輸出高電平，即CLK變?yōu)楦唠娖?，又開(kāi)始對(duì)電容進(jìn)行充電操作。如此周而復(fù)始，形成振蕩，電容兩端產(chǎn)生三角波信號(hào)，同時(shí)比較器輸出一個(gè)方波時(shí)鐘信號(hào)CLK[10-12]。

圖1 傳統(tǒng)RC振蕩器

傳統(tǒng)的RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但是輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率精確度容易受電壓波動(dòng)，溫度偏差，以及工藝偏差的影響，難以保持一定的頻率精度。因此，很多設(shè)計(jì)者采用電流修調(diào)電路，或者對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)等方式來(lái)補(bǔ)償溫度和工藝偏差[12-14]。

2 帶自動(dòng)校準(zhǔn)的超低功耗RC振蕩器設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的振蕩電路由4個(gè)部分組成，分別為：?jiǎn)?dòng)模塊，參考電流產(chǎn)生模塊，充放電模塊和自動(dòng)校準(zhǔn)模塊。電容陣列和電阻陣列由自動(dòng)校準(zhǔn)電路模塊輸出控制，通過(guò)調(diào)節(jié)陣列控制數(shù)值，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的頻率輸出。為了盡可能的降低電流消耗，可以通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，讓電流源產(chǎn)生模塊中MOS管都工作在弱反型或亞閾值區(qū)域，達(dá)到降低功耗的目的。當(dāng)MOS管上的Vgs接近其閾值電壓Vth時(shí)，MOS管工作在弱反型區(qū)（或亞閾值區(qū)），在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于兩個(gè)背靠背的二極管相連。這樣我們分析時(shí)，可將其看成橫向的BJT的結(jié)構(gòu)，不過(guò)與一般的BJT不同的是，這里的漏極電壓是柵電壓在柵電容和耗盡層電容之間的分壓?？梢缘玫絹嗛撝祬^(qū)時(shí)的電流方程：

從該式中可以看到，當(dāng)VDS>3VT時(shí)，括號(hào)里面的值近似等于1，這樣VDS的變化基本不會(huì)對(duì)IdS造成影響，MOS管此時(shí)的工作狀態(tài)和飽和區(qū)狀態(tài)一樣，可以將其當(dāng)成穩(wěn)定的電流源。同時(shí)MOS在亞閾值狀態(tài)下工作時(shí)，是沒(méi)有導(dǎo)電溝道的，通過(guò)的電流很小，從而達(dá)到降低整個(gè)芯片功耗的目的。

圖2 超低功耗RC振蕩器電路圖

圖2所示為本次設(shè)計(jì)的超低功耗RC振蕩器電路圖。啟動(dòng)電路由M1、M2、M3、M4和M22構(gòu)成。啟動(dòng)電路阻止所有的自偏置電路工作在零偏置點(diǎn)附近，在電路上電后立即開(kāi)始工作，向需要啟動(dòng)的電路注入電流，破壞電路的簡(jiǎn)并點(diǎn)，使之處在正確的工作狀態(tài)，保證電路能夠正常起振。

M5～M11構(gòu)成電流源電路，電流通過(guò)鏡像電路饋送到電容支路，對(duì)電容進(jìn)行充電，引起M15的柵極電壓變化。如圖3所示，當(dāng)電路剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，電容兩端電壓為0，M15柵極電壓為0，此時(shí)M14導(dǎo)通，電流通過(guò)M14對(duì)電容進(jìn)行充電。隨著電容電壓Vc的升高，M15柵極電壓逐漸上升，當(dāng)VC>Vth時(shí)，M15開(kāi)始導(dǎo)通，M14關(guān)閉，電容又開(kāi)始對(duì)地進(jìn)行放電。直至電容電壓VC低于 M15閾值電壓Vth后，VC＜Vth，M14又重新打開(kāi)，電流I5重新開(kāi)始對(duì)電容進(jìn)行充電。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩信號(hào)[15-18]。

電容的電壓變化量可以表示如下：

其中，電流可由下式計(jì)算得出：

將（3）帶入（2）得：

由此，可得到輸出振蕩頻率為：

可以看到，參考電壓的波動(dòng)，溫度和工藝的差異會(huì)對(duì)輸出頻率產(chǎn)生很大的影響，難以維控制輸出頻率精度。因此，本文采用自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)電容電阻陣列，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的頻率輸出。

圖3 電容充放電波形圖

3 自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制原理

如圖4所示，自動(dòng)校準(zhǔn)電路內(nèi)部包括計(jì)數(shù)器、比較器、編碼器等電路模塊。自動(dòng)校準(zhǔn)的基本原理就是通過(guò)比較38.4 MHz和晶振輸出頻率，改變輸出電容、電阻陣列的值，來(lái)達(dá)到頻率校準(zhǔn)的目的。計(jì)數(shù)器的作用就是在一個(gè)振蕩器輸出周期內(nèi)記錄下晶振信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，晶振信號(hào)每輸出一個(gè)上升沿就加1。每一個(gè)32 kHz周期內(nèi)，應(yīng)該會(huì)有1 200個(gè)晶振信號(hào)，即：38.4 MHz/32 kHz=1 200。因此計(jì)數(shù)器的參考值為1 200，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為1 200時(shí)，編碼器將此時(shí)的電容、電阻陣列輸出保存至振蕩器電路中，校準(zhǔn)完成，晶振電路和校準(zhǔn)電路也隨之關(guān)閉。

如圖5所示為自動(dòng)頻率校準(zhǔn)流程:首先隨著RC振蕩信號(hào)和參考晶振信號(hào)的輸入，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，在一個(gè)RC振蕩周期內(nèi)記下數(shù)值N。

1）粗調(diào)第一階段：

①當(dāng)1 100＜N＜1 150時(shí)，增加電阻陣列的數(shù)值來(lái)降低RC振蕩器輸出頻率，同理：

②當(dāng)1 250＜N＜1 300時(shí)，減小電路陣列數(shù)值來(lái)提高振蕩器輸出頻率。

2）粗調(diào)第二階段：

當(dāng)1 150＜N＜1 250時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻陣列數(shù)值，來(lái)快速改變輸出頻率，達(dá)到1 180＜N＜1 220。至此，粗調(diào)完成，進(jìn)入細(xì)調(diào)階段。

3）細(xì)調(diào)階段，通過(guò)逐一掃描6比特的電容陣列數(shù)值，使得計(jì)數(shù)1 198＜N＜1 202，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的頻率輸出。校準(zhǔn)過(guò)程至此完畢，關(guān)閉校準(zhǔn)電路和晶振模塊，最終頻率誤差控制在1%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 自動(dòng)校準(zhǔn)模塊示意圖

4 仿真結(jié)果分析

本文采用TSMC 180nm工藝設(shè)計(jì)了一種超低功耗、帶有自動(dòng)校準(zhǔn)模塊的32 kHz RC振蕩器，通過(guò)Cadence Spectre對(duì)電路進(jìn)行了仿真。

在1.8 V供電電壓下，總電流消耗為0.15 μA。經(jīng)過(guò)設(shè)置各種仿真條件進(jìn)行后仿真（ff、tt、ss 3種Corner，溫度從-40～85℃，電壓從1.5～2.1 V），最終仿真結(jié)果如下：如圖6所示為振蕩器起振穩(wěn)定時(shí)間小200 μs。如圖7所示，振蕩器最終輸出頻率能夠穩(wěn)定在32 kHz。如圖8所示為輸出頻率功率譜密度。目前正在等待流片回來(lái)，將進(jìn)一步完成流片結(jié)果測(cè)試。

圖5 自動(dòng)校準(zhǔn)流程圖

圖6 RC振蕩器輸出波形圖

圖7 RC振蕩器輸出頻率

圖8 RC振蕩器輸出頻率功率譜密度圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種超低功耗、高精度、帶有自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制的RC振蕩器電路。通過(guò)自動(dòng)校準(zhǔn)電路補(bǔ)償了溫度差異、工藝偏差、電壓波動(dòng)對(duì)于振蕩器輸出頻率的影響。最終仿真結(jié)果表明電路總電流消耗為0.15 μA，能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定輸出32 kHz振蕩信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的振蕩電路滿(mǎn)足超功耗條件下的應(yīng)用需求。芯片測(cè)試結(jié)果需等待流片回來(lái)作進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]董春雷，寧振球，金星.一種帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔绕蟁C振蕩器[J].微電子學(xué)，2015，45（1）：58-62.

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

[3]李殉，貴鵬，劉穎力.可修調(diào)高穩(wěn)定性RC振蕩器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（4）：18-21.

[4]王立龍.芯片內(nèi)一種與溫度無(wú)關(guān)的RC振蕩器的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2012（6）：98-99.

[5]王洪祥，趙野，黑勇.一種帶有遲滯比較器的新型RC 振蕩器[J].科學(xué)技術(shù)與程，2013，13（18）：5345-5349.

[6]熊立志，王振華，殷少飛.一種高精度低功耗CMOS RC 振蕩器[J].微電子學(xué)，2008，38（5）：748-751.

[7]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(jì)[J].電子科技，2007，12（9）：13-16.

[8]李展，馮炳軍.一種基于內(nèi)部遲滯比較器新型RC振蕩器[J].電子器件 ，2009，22（1）：41-44.

[9]李昌，杜國(guó)同.一種具有頻率抖動(dòng)功能RC振蕩器設(shè)計(jì)[J].電子科技，2009，22（9）：45-48.

[10]龍爽，陳嵐，陳巍巍.一種基于比較器失配補(bǔ)償?shù)母叻€(wěn)定性RC振蕩器[J].微電子學(xué)，2014，1（4）：456-458.

[11]孫麗晶，楊博，劉慶飛.可靈活復(fù)位RC振蕩器[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：13-16.

[12]張慶嶺，崔佳男，張其營(yíng).一種同步模式RC振蕩器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2014（4）：447-450.

[13]熊江，雷長(zhǎng)發(fā)，劉威.一種新型電流源的RC振蕩器電路設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路，2015，24（11）：25-28.

[14]駱建軍，范旭東，劉海鑾.一種應(yīng)用于 SD/MMC控制器的RC振蕩器設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（1）：35-38.

[15]S Jeong，I Lee，D Blaauw.A 5.8 nW CMOS wakeup timer for ultra-low-power wireless applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2015，50（8）：1754-1763.

[16]Y Wang，L Rong，L Xie.A 255nW 138 kHz RC oscillator for ultra-low power applications[C].IEEE Mtt-s International Wireless Symposium，2016（8）：1-4.

[17]A Paidimarri，D Griffith.An RC oscillator with comparator offset cancellation[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2016，51（8）：1866-1877.

[18]MP Tripathi，D Patranabis.A new class of scaledfrequency sinusoidal RC oscillators[J].Iete Journal of Research ，2015，23（10）：587-590.