劉銘揚(yáng) ，王小松 ，劉 昱

(1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

參考時鐘于任何模數(shù)混合電路而言，都是尤為重要的組成部分。通常用來產(chǎn)生時鐘信號的方式有兩種：其一是使用片外晶體振蕩器、陶瓷振蕩器等，雖說可以輸出恒定的頻率，卻難以避免地增加了整個系統(tǒng)的面積和成本；其二是設(shè)計片內(nèi)集成振蕩器，按照結(jié)構(gòu)類型的不同，又可以劃分為遲滯振蕩器、LC振蕩器和環(huán)形振蕩器[1]。

相較于其他幾種片內(nèi)集成振蕩器，環(huán)形振蕩器僅由奇數(shù)個反相器串聯(lián)而成，其功耗較低，結(jié)構(gòu)簡單，且輸出頻率不受限，所以應(yīng)用范圍更廣。但環(huán)形振蕩器的輸出頻率更容易受到工藝參數(shù)、溫度和供電波動帶來的影響，由此帶來很大的時鐘偏差[2]。如何對不可抗因素造成的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，以提高環(huán)振電路輸出頻率的可靠性與穩(wěn)定性，一直都是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

目前國內(nèi)外關(guān)于溫度補(bǔ)償?shù)钠瑑?nèi)時鐘振蕩器設(shè)計，如文獻(xiàn)[3-6]，大多使用包含運(yùn)算放大器的帶隙基準(zhǔn)源、額外的片內(nèi)電容、LDO穩(wěn)壓電路以及額外的補(bǔ)償電壓運(yùn)算電路等進(jìn)行補(bǔ)償。而本文基于SMIC 0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計出的高精度時鐘電路，無需繁冗的補(bǔ)償單元，僅憑借基準(zhǔn)電流源和超源跟隨器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，便足以產(chǎn)生對溫度自校準(zhǔn)的補(bǔ)償電壓，來控制環(huán)形振蕩器輸出穩(wěn)定的振蕩頻率，后又通過簡單的倍壓單元，最終可輸出幅值為1.8 V、頻率穩(wěn)定在2 MHz、占空比為50%的時鐘信號，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。當(dāng)溫度變化為-40 ℃～85 ℃時，時鐘偏差小于1%。當(dāng)供電電壓由1.6 V波動至2 V，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內(nèi)，時鐘輸出頻率的最大變化范圍僅為28 Hz。

圖1 帶溫度和工藝補(bǔ)償?shù)母呔葧r鐘電路結(jié)構(gòu)框圖

1 環(huán)振及其溫度補(bǔ)償原理

1.1 環(huán)形振蕩器原理

最簡單的環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個反相器串聯(lián)而成，在設(shè)計中選取反相器個數(shù)為5個，如圖2所示。其振蕩頻率為：

圖2 五級反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器

td為每一級反相器的傳播延時，其定義如下：

其中Reqn和Reqp分別為NMOS和PMOS的導(dǎo)通電阻:

為方便計算，假設(shè)NMOS管與PMOS管的寄生電容與導(dǎo)通電阻相同，則有:

1.2 溫度對環(huán)形振蕩器輸出頻率的影響

環(huán)形振蕩器輸出頻率受溫度的影響主要來源于載流子遷移率與閾值電壓對溫度的依賴關(guān)系。

從文獻(xiàn)[7]中，可以得到載流子遷移率與過驅(qū)動電壓隨溫度變化的關(guān)系如下：

VTH(T)=VTH(T0)[1+TCVTH·(T-T0)](6)

由此得出修正后的振蕩頻率公式如下：

溫度與環(huán)形振蕩器輸出頻率呈負(fù)相關(guān)，溫度越高，環(huán)形振蕩器輸出頻率越低。仿真圖2中環(huán)形振蕩器輸出頻率隨溫度的變化，所得結(jié)果如圖3所示。當(dāng)溫度由-40 ℃變化到85 ℃時，該環(huán)形振蕩器輸出頻率的最大差值可達(dá)到993 kHz，頻率偏差最高達(dá)到49.7%。

圖3 五級環(huán)形振蕩器頻率隨溫度變化曲線

文獻(xiàn)[8]以反相器輸出電壓的下降時間為切入點(diǎn)，推導(dǎo)出另外一種振蕩頻率的表達(dá)公式：

由式(9)可知，當(dāng)VDD增加時，環(huán)形振蕩器的輸出頻率也會隨著增加，仿真圖2中的環(huán)形振蕩器，得到頻率隨供電波動的變化如圖4所示。

圖4 供電對環(huán)形振蕩器輸出頻率的影響

供電與環(huán)形振蕩器輸出頻率呈正相關(guān)，而溫度與環(huán)形振蕩器輸出頻率成負(fù)相關(guān)，這為我們提供溫度補(bǔ)償?shù)乃悸罚磳DD更換為與溫度呈正相關(guān)的VCTRL，隨著溫度增加，VCTRL增加，控制環(huán)形振蕩器輸出頻率增加，以補(bǔ)償溫度增加造成的環(huán)形振蕩器輸出頻率衰減。

2 調(diào)節(jié)供電進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔葧r鐘電路設(shè)計

2.1 溫度補(bǔ)償單元設(shè)計

本設(shè)計中，補(bǔ)償單元由自啟動電路、基準(zhǔn)電流源、超源跟隨器三部分組成，其電路原理圖如圖5所示。

設(shè)置合適的寬長比，使NM3和NM4工作在亞閾值區(qū)，流經(jīng)R1的電流IR1可表示為[9]：

其中VT=KT/q。

取NM4的寬長比為NM3的N倍，則有：

從而得到：

可以發(fā)現(xiàn)，IR1是一個與溫度正相關(guān)的IPART電流，該電流以1：1的關(guān)系鏡像至R2，可以推導(dǎo)出：

展開VR2可得出：

由式(14)可以得到VR2是一個正溫度系數(shù)電壓，且與溫度呈線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)R1、R2、N，即可以補(bǔ)償溫度變化為時鐘電路帶來的偏差。

流經(jīng)PM4、NM5、NM7的電流為IR1的等比復(fù)制，調(diào)整NM8的寬長比，使流經(jīng)NM8的電流也等于IR1，即有|Vdsatp6|=Vdsatn8，展開Vsgp6可以得到：

圖5 溫度及工藝補(bǔ)償單元電路圖

由式(16)可知，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)NM8管的尺寸，可以調(diào)整Vsgp6，以調(diào)整VCTRL的值，既而消去溫度及工藝偏差引發(fā)的閾值電壓變化。

同時超源跟隨器置于基準(zhǔn)電流源與環(huán)形振蕩器間，可起到緩沖作用，降低設(shè)計中對R2的阻值要求，但NM6、NM8構(gòu)成了負(fù)反饋，必要時可以增加米勒補(bǔ)償電容CM來提高環(huán)路的穩(wěn)定性。

將式(9)中的VDD替換為VCTRL可得到本設(shè)計中的振蕩頻率公式。

此外針對實(shí)際制造過程中的工藝偏差，可通過修調(diào)基準(zhǔn)電壓源中R1的電阻值以消去工藝偏差引發(fā)的環(huán)振頻率變化[10]。

2.2 倍壓單元的設(shè)計

環(huán)形振蕩器輸出信號的幅值與VCTRL相等，若想作為時鐘信號后續(xù)用于數(shù)?；旌想娐分?，需對其進(jìn)行一個抬升，圖6所示為一個簡單的倍壓電路原理圖，需注意將PM1的襯底連接至VDD以避免寄生PN結(jié)的導(dǎo)通[10]。

圖6 倍壓電路

3 電路仿真和測試結(jié)果

本文設(shè)計的帶有溫度和工藝補(bǔ)償?shù)母呔葧r鐘電路基于SMIC 0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行仿真測試以驗(yàn)證正確性。

將溫度掃描范圍定義為-40 ℃～85 ℃，仿真時鐘頻率fCLK隨溫度的變化曲線如圖7所示，時鐘頻率穩(wěn)定在2 MHz，最大變化范圍為19 kHz，時鐘偏差小于1%。

圖7 時鐘頻率隨溫度的變化曲線

分別在1.6 V、1.8 V、2.0 V三種供電下進(jìn)行-40 ℃～85 ℃的溫度掃描，得到的仿真結(jié)果如圖8所示。時鐘頻率穩(wěn)定在2 MHz，時鐘輸出頻率最大變化范圍為28 Hz。

圖8 不同供電下時鐘頻率隨溫度的變化曲線

本文同其他文獻(xiàn)的測試結(jié)果對比如表1所示，可以看出，相較于其他文獻(xiàn)，本文的電路結(jié)構(gòu)更為簡單，補(bǔ)償效果也更優(yōu)。

表1 本文與其他文獻(xiàn)測試結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種通過調(diào)節(jié)供電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母呔葧r鐘電路，時鐘的振蕩頻率不受溫度及工藝波動的影響。仿真結(jié)果表明，溫度從-40 ℃變化到85 ℃時，時鐘頻率最大變化僅為19 kHz，時鐘偏差小于1%；當(dāng)供電電壓由1.6 V變化到2.0 V時，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內(nèi)，頻率變化最大值僅為28 Hz，且結(jié)構(gòu)簡單，更易與其他模數(shù)混合電路集成。