一種高精度高穩(wěn)定性的片內(nèi)振蕩電路設(shè)計

摘" 要： 作為系統(tǒng)時鐘源，振蕩電路的頻率特性會影響芯片工作性能。為提高片內(nèi)振蕩器輸出時鐘的精度及穩(wěn)定性，設(shè)計一種基于RC結(jié)構(gòu)的振蕩電路。該振蕩電路采用帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生電容充電電流及基準(zhǔn)電壓，通過調(diào)整鏡像管比例進行頻率粗調(diào)校正，通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓大小和溫度系數(shù)以實現(xiàn)頻率細調(diào)校正及溫度特性校正。電路基于55 nm CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)，仿真結(jié)果表明，典型條件下電路工作輸出為30 MHz，50%占空比時鐘，在1.6～5.5 V、-40～125 ℃工作范圍內(nèi)，振蕩頻率偏移位0.6%以內(nèi)，中心校準(zhǔn)精度為0.5%，可作為片內(nèi)高精度時鐘源或參考時鐘。

關(guān)鍵詞： 振蕩電路； RC結(jié)構(gòu)； 基準(zhǔn)電路； 頻率校正； 溫度校正； 校準(zhǔn)精度； 高穩(wěn)定性

中圖分類號： TN75?34" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）08?0095?06

Design of a high precision and high stability on?chip oscillator circuit

ZONG Jiajia， HUANG Jian， LAI Pengfei， LI Liang

（Wuxi i?CORE Electronics Co.， Ltd.， Wuxi 214000， China）

Abstract： As the clock source of the system， the frequency characteristics of the oscillation circuit can affect the operational performance of the chip. In order to improve the precision and the stability of on?chip oscillator output clock， an oscillation ciruit based on RC structure is designed. The bandgap reference is used in the oscillation circuit to generate capacitor charging current and reference voltage， and the mirror tube ratio is adjusted for the frequency coarse adjustment correction. By adjusting the reference voltage size and temperature coefficient， the frequency fine adjustment correction and temperature characteristic correction are achieved. The circuit is designed based on the 55 nm CMOS process， and the simulation results prove that， under typical conditions， the working output of the circuit is 30 MHz， with a 50% duty cycle clock. It operates within the range of 1.6 V to 5.5 V and -40 ℃ to 125 ℃， with an oscillation frequency offset of 0.6% and a center calibration accuracy of 0.5%. The circuit can be used as a high?precision on?chip clock source or reference clock.

Keywords： oscillator circuit; RC structure; reference circuit; frequency correction; temperature correction; calibration accuracy; high stability

0" 引" 言

作為支持芯片工作的時鐘源，各類振蕩電路在MCU中有著廣泛的應(yīng)用，為應(yīng)對不同工作場景，對振蕩電路的功耗、精度、穩(wěn)定性、面積等性能也提出了不同要求[1?2]。片內(nèi)振蕩電路結(jié)構(gòu)包括環(huán)形振蕩、LC振蕩、RC振蕩[3?4]，LC振蕩結(jié)構(gòu)受限于面積和成本，應(yīng)用較少[5]；環(huán)形振蕩雖功耗低、面積小，但由于頻率穩(wěn)定性受限，常應(yīng)用于功耗低及頻率精度要求較低的場景；RC振蕩結(jié)構(gòu)在面積上優(yōu)于LC結(jié)構(gòu)，在頻率特性上優(yōu)于環(huán)形振蕩結(jié)構(gòu)，應(yīng)用更為廣泛[6?7]。不斷提升RC振蕩結(jié)構(gòu)的頻率特性，為芯片工作提供高精度、高穩(wěn)定性的時鐘是改善芯片性能的重要研究方向[8?9]。

本文以常見的RC振蕩結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過增加對基準(zhǔn)電壓及充電電流的修調(diào)實現(xiàn)對輸出時鐘頻率的校正，減小芯片在生產(chǎn)過程中引入的頻率偏差，保證頻率精度。同時，為應(yīng)對芯片的不同工作環(huán)境要求，并減小工作電壓偏差、高/低溫環(huán)境條件或散熱、老化導(dǎo)致的頻率穩(wěn)定性和精度問題，通過調(diào)整供電方式和修調(diào)充放電電流溫度系數(shù)進行溫度特性校正。

1" 電路設(shè)計

本文設(shè)計的振蕩電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，振蕩主體采用典型的RC振蕩結(jié)構(gòu)，內(nèi)置2個LDO分別為基準(zhǔn)及振蕩電路供電，隔離振蕩電路紋波，減小外部電源變化對振蕩頻率的影響。基準(zhǔn)電路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓、電流，由修調(diào)網(wǎng)絡(luò)校正后分別作為后級比較器參考電壓及電容充放電電流，以產(chǎn)生周期翻轉(zhuǎn)的電壓，處理后得到50%占空比時鐘信號。

1.1" RC振蕩電路

本文振蕩電路核心采用RC振蕩結(jié)構(gòu)[10?11]，電路原理圖如圖2所示。RS鎖存器輸入振蕩使能信號，CLK起始狀態(tài)為高電平，P2、N1導(dǎo)通，C1放電通路打開，C2由電流源充電，電荷不斷累積至使CMP2輸出翻轉(zhuǎn)，CLK翻轉(zhuǎn)為低電平，P2、N1關(guān)斷，P1、N2導(dǎo)通，電流源更改為向C1充電直至CMP1輸出由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，CLK再次翻轉(zhuǎn)為高電平。以上過程不斷重復(fù)，產(chǎn)生周期性翻轉(zhuǎn)的時鐘信號輸出。該電路輸出信號周期與電容充電時間相關(guān)，無需考慮比較器遲滯的影響。此外，雙邊比較器的對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以將時鐘占空比較好地穩(wěn)定在50%，減小振蕩頻率波動。

根據(jù)電容累積電荷量公式，可以推導(dǎo)出RC振蕩頻率公式為：

[0VREFdU=1C0tIcharge dt]

[f=12t=Icharge2CVREF，" C1=C2=C]

可見，充電電流和基準(zhǔn)電壓的性能直接影響頻率穩(wěn)定性。因此，合理設(shè)計充電電流及基準(zhǔn)電壓變化率使二者實現(xiàn)相互補償，可以極大程度上保證頻率的穩(wěn)定。本文電路設(shè)計采用基準(zhǔn)源[12]分別產(chǎn)生恒定電流及基準(zhǔn)電壓，作為充電電流和比較器基準(zhǔn)。

1.2" 基準(zhǔn)電路

圖3所示為基準(zhǔn)電路的基本結(jié)構(gòu)原理，運放鉗位a、b節(jié)點電壓相同，恒流源鏡像產(chǎn)生偏置電流、基準(zhǔn)電流及基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓公式如下：

[VREF=VTlnNR1+VBE0R2·R]

采用基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)可省略一級運放，更改R1、R2比值，實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓、電流的溫漂修調(diào)；更改輸出支路電阻R可獲得不同的零溫漂電壓VREF。相較于基礎(chǔ)帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，增加電阻R2作為負溫漂電壓的系數(shù)，可將零溫漂電壓由固定值更改為可變值，這對于后續(xù)進行基準(zhǔn)電壓修調(diào)是有意義的，能夠避免校準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓時造成其溫度曲線偏移，減小電路校準(zhǔn)導(dǎo)致的溫度特性離散，也有利于提高電路溫度校準(zhǔn)的精度?；鶞?zhǔn)溫漂曲線見圖4。

1.3" 修調(diào)電路

受到芯片制造工藝的限制，不可避免地會引入誤差，而在電路設(shè)計中增加頻率修調(diào)電路是提高振蕩頻率精度、保證芯片良好的常用手段[13]。根據(jù)1.1節(jié)推算的RC振蕩頻率公式，更改充電電流Icharge、電容C和基準(zhǔn)電壓VREF均可調(diào)整振蕩輸出頻率。本文電路RC振蕩采用雙邊比較器對稱結(jié)構(gòu)，充電電容為單邊結(jié)構(gòu)的2倍，但采用電容校正方案會比電流校正及電壓校正占用更多版圖面積，故電路設(shè)計采用修調(diào)充電電流大小實現(xiàn)頻率粗調(diào)，通過修調(diào)比較器基準(zhǔn)電壓大小進行頻率細調(diào)。同時，為了修正頻率溫度偏移誤差，增加頻率溫度校正，通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)補償電容、基準(zhǔn)、比較器速度等部分的溫度偏移。

1.3.1" 頻率粗調(diào)校正

粗調(diào)較正通過調(diào)整接入鏡像管根數(shù)來修調(diào)充電電流大小，如圖5所示。其中P0為固定接入的鏡像管，P1～Pn分別由trim1～trimn控制導(dǎo)通/關(guān)斷，共可產(chǎn)生2n級電流輸出，頻率校準(zhǔn)格點及校準(zhǔn)范圍分別為：

[fstep=m2CVREFm0?I0]

[m1I02CVREFm0≤f≤m1+m2n-1I02CVREFm0]

通常，為了實現(xiàn)頻率的雙向調(diào)節(jié)，取校準(zhǔn)默認配置位為振蕩中心頻率，則粗調(diào)校正精度為：

[fa=mm1+2n-1m]

頻率的粗調(diào)校準(zhǔn)主要影響振蕩器的頻率可校范圍，設(shè)計范圍過小會導(dǎo)致中心頻率偏移，過大則影響面積。本文考慮工藝差異，設(shè)計頻率校準(zhǔn)范圍大于±30%，粗調(diào)校準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1.3.2" 頻率細調(diào)校正

頻率細調(diào)校正通過更改輸出支路電阻值修調(diào)輸出基準(zhǔn)電壓的大小，如圖6所示。輸出支路電阻包含固定接入電阻及可校準(zhǔn)電阻，為了版圖匹配，將可校準(zhǔn)電阻均勻拆分為n級，此時，基準(zhǔn)電壓的校準(zhǔn)格點及精度均勻，對應(yīng)頻率的校準(zhǔn)格點隨接入電阻值變化。

基準(zhǔn)電壓校正格點及校準(zhǔn)范圍公式如下：

[VREFstep=m2m0?I0?R]

[m2m0?I0?R0≤VREF≤m2m0?I0?nR+R0]

基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)精度表示為：

[VREFa=RR0+n2+1?R]

細調(diào)校正格點直接影響振蕩器的頻率校準(zhǔn)精度，格點越小，校準(zhǔn)引入的頻率誤差越小，振蕩精度越高，但需要同步減小粗調(diào)校準(zhǔn)格點以避免校準(zhǔn)曲線不連續(xù)。每段校準(zhǔn)曲線起點由粗調(diào)校正確定，斜率及終點由細調(diào)校正確定。為保證整體校準(zhǔn)范圍內(nèi)所有頻率點均可校，每段粗調(diào)曲線必須存在重合，理論上，重合范圍越大，校準(zhǔn)閾值內(nèi)的可校頻點越多，校準(zhǔn)精度越高。

結(jié)合已推出的粗調(diào)、細調(diào)格點及輸出頻率公式，計算出細調(diào)校準(zhǔn)位數(shù)n、細調(diào)校準(zhǔn)電阻R和R0、粗調(diào)校準(zhǔn)鏡像管根數(shù)m1與m取值需滿足：

[m1?n?Rgt;m?R0]

設(shè)計時m通常取值為1，也即n、[RR0]、[m1m]滿足以下比例關(guān)系：

[m1?RR0gt;1n]

不等式左側(cè)取值越大，右側(cè)取值越小，校準(zhǔn)曲線重合點越多，頻率校正誤差越小。綜上，適當(dāng)增加粗調(diào)校準(zhǔn)位數(shù)優(yōu)化可以得到足夠的頻率校正范圍。

細調(diào)校準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

1.3.3" 頻率溫度校正

以上電路結(jié)構(gòu)通過引入帶隙基準(zhǔn)為振蕩電路提供恒定的充電電流及基準(zhǔn)電壓，二者的溫度偏移控制在較小的范圍；同時，可適當(dāng)補償電路其他結(jié)構(gòu)，如電容、比較器引入的非理想情況下的溫度偏移，以提高振蕩器輸出頻率的穩(wěn)定性。但實際生產(chǎn)應(yīng)用過程中無法保證理想條件下的參數(shù)特性，版圖鏡像管、電阻、電容的匹配對稱設(shè)計不合理，生產(chǎn)時工藝的偏差、擴散影響、機械應(yīng)力等多種因素都會帶來時鐘頻率溫漂的不確定性，而增加溫度校正方案可以進一步減小頻率偏移，提高時鐘精度。

根據(jù)上文推出的基準(zhǔn)公式調(diào)整輸出支路電阻R的溫度特性，可以在不影響充電電流溫漂的前提下，通過更改基準(zhǔn)電壓、溫度特性的方式更改輸出時鐘的溫度特性。圖7所示為頻率溫度校正電路原理圖。為了不影響頻率細調(diào)校正，保持基準(zhǔn)電壓輸出支路總電阻不變，抽取部分固定接入電阻更改為溫度校正電阻，分為等值的正溫度系數(shù)電阻和負溫度系數(shù)電阻兩部分，通過開關(guān)管控制接入的正、負溫度系數(shù)電阻比值更改VREF的溫度特性，每一級電阻Rt采用等值設(shè)計，電阻類型選擇綜合溫度系數(shù)和方塊值以節(jié)約面積。

2" 版圖設(shè)計

本文基于55 nm CMOS工藝進行版圖設(shè)計，基準(zhǔn)電路與振蕩主體間增加隔離，電源地線增加濾波電容，避免高速振蕩信號耦合至電源影響性能。兩路充放電電容、比較電路采用對稱設(shè)計，頻率校正鏡像管、溫漂校正電阻保證嚴(yán)格的版圖匹配。振蕩電路版圖概貌如圖8所示。

3" 性能參數(shù)

振蕩主要性能參數(shù)如表3所示。

LDO特性曲線如圖9所示，振蕩電壓特性曲線如圖10所示。典型工作條件下，振蕩輸出頻率為30.58 MHz，整體工作電流為120 μA。對比振蕩電壓特性可見，電源電壓在1.6～5.5 V變化時，LDO線性調(diào)整率為0.06‰，輸出頻率偏移為0.1%。

頻率?溫度特性曲線及溫度校正范圍如圖11所示，-40～125 ℃、默認溫度校準(zhǔn)配置下頻率偏移曲線為拋物線，最大偏移為0.56%，頻率溫度校準(zhǔn)可修調(diào)拋物線對稱軸，溫度校準(zhǔn)值增大，頻率溫度特性曲線由遞增變化為遞減。

圖12所示為頻率粗調(diào)校準(zhǔn)取值默認時的頻率細調(diào)校準(zhǔn)曲線，隨細調(diào)配置值增大，內(nèi)部比較器基準(zhǔn)電壓遞增，輸出頻率減小，頻率中心校準(zhǔn)精度為0.5%，全碼值校準(zhǔn)精度lt;1%。

4" 結(jié)" 論

本文設(shè)計了一種片內(nèi)RC振蕩電路，采用兩級LDO供電提升頻率穩(wěn)定性，帶隙基準(zhǔn)源提供電流源及基準(zhǔn)電壓以優(yōu)化振蕩頻率的電壓和溫度特性。為了進一步提高振蕩精度，分別對RC振蕩的充電電流和比較器基準(zhǔn)電壓進行校準(zhǔn)，實現(xiàn)頻率的粗調(diào)和細調(diào)；更改校準(zhǔn)支路部分電阻的溫度特性，實現(xiàn)對頻率溫度偏移參數(shù)的校正。振蕩輸出30 MHz時鐘，中心頻率校準(zhǔn)精度為0.5%，在-40～125 ℃、1.6～5.5 V的工作范圍內(nèi)可實現(xiàn)0.6%以內(nèi)的頻率偏移，具有較好的頻率特性，其供電方案及頻率校準(zhǔn)、溫度校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可移植到相似的RC振蕩結(jié)構(gòu)中，用以提高振蕩精度及頻率穩(wěn)定性。

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作者簡介：宗佳佳（1993—），女，江蘇無錫人，碩士，工程師，研究方向為模擬集成電路設(shè)計。