一种基于CMOS工艺的高精度片内振荡器的设计

摘要：采用恒流源充放电及温度补偿技术设计了一款结构简单、易于集成的片内振荡器。该模块的核心为利用带隙基准电流源产生一路零温度系数电流，并用该电流源对电容进行充放电；设置比较器的高低阈值电压的差值为负温度系数与电容的正温度系数相互补偿，尽可能减弱温度对振荡周期的影响，产生高稳定且占空比可调的矩形波。采用华虹NEC 0.35μm CZ6H工艺设计，经Cadence Spectre软件仿真表明标准状况下该模块振荡频率为6.321MHz，在-20到100℃的温度区间内其温度系数仅为42ppm/℃。

关键词：恒流源；振荡器；温度补偿；高精度

Design of a on-chip CMOS Oscillator with High Precision

CHEN Wei，SHI Long-zhao

（Fuzhou University DTV Engineering Center of Fuzhou university,Fuzhou,350002,China）

Abstract: A kind of on-chip oscillator with simple structure and is easy to integrate was designed usingconstant current source charge-discharge and temperature compensation technologies .The key element of the circuit is a temperature independent bandgap current source generated from the superposition of PTA-T and NTAT currents .A capacitance was charged and discharged accurately by the current source whil-e the difference between the High threshold and Low threshold of comparator was designed to be NTA-T to compensate the PTAT of capacitance in order to weaken the impact of temperature to the period of oscillation, generating precious rectangle wave oscillation with duty ratio adjustable. This design is i-mplemented in HHNEC 0.35μm process. Spectre simulation shows up that in standard situation this mod-ule offers A 6.321MHz clock signal, and it’s temperature coefficient is only 42ppm/℃ from -20℃ to 100℃.

Key Words: constant-current source;oscillator;temperature compensation;high precision

1 引言

数字电视技术的发展对于数字电视机顶盒的准确定时功能提出了很高的要求，为了不显著增加成本，将片上振荡器作为定时器的时钟源不失为一种很好的方案，但传统的RC振荡器振荡频率受温度、工艺、电源等因素影响较大，难以适应复杂环境应用的需求，因而需要对传统振荡器进行温度、工艺等补偿[1]。本文提出了一种新颖的温度补偿方法，并设计了一款恒流源充放电式片内振荡器，振荡器的核心为利用温度补偿原理设计的一款高精度带隙基准电流源，并设计了一种新型的恒流源充放电电路产生矩形波振荡器，产生高稳定的时钟信号。

2 整体电路的结构与误差分析

本文所设计的振荡器是弛豫振荡器的一种，弛豫振荡器是利用各种具有双稳态的开关元件，如PMOS和NMOS开关管、比较器、触发器等控制电流支路的开与关，轮流对时钟电容进行充放电。节点电容上电压的上升和下降会导致后续门电路状态的周期性改变，形成振荡输出[2]。文献[3]、[4]分别提出了一种弛豫振荡器的实现方法，并在理想条件下得到了良好的结果，但都没有考虑温度对振荡精度的影响，实际电路中会产生很大误差；文献[5]未充分考虑电容的温度系数对于振荡频率的影响。本文通过对影响振荡频率的各种因素的分析，提出了一种新颖的温度补偿方法，并设计了一种新型恒流源充放电电路，电路结构精简，芯片面积小。

电路的原理图如图1所示，其工作原理是：逻辑电路控制开关电路的打开与闭合以及比较器高低阈值的切换，开关1截止、开关2开启时，比较器正向输入端接入阈值高电平VTH ；电流源对电容充电直到大于VTH时，比较器输出翻转，使得开关1开启、开关2截止，逻辑电路控制比较器的同相输入端接入低电平阈值VTL，电容通过电流源对地放电，直到电容电压小于VTL，比较器输出再次翻转。如此重复以上过程输出端形成矩形波输出。

设充电电流大小为I1放电电流为大小I2，根据电路原理通过电容的电流大小为：

I=C （1）

移项，两边积分有：

dv=Idt （2）

易解得振荡器的振荡周期为：

T =T+T= （3）

其中T1、T2分别为电容充电和放电的周期。当I1=I2，T1=T2时输出占空比为50%的方波，其振荡周期为：

T = （4）

式（4）中C1、I1、VTH 、VTL都是温度的函数，它们相互关联，情况比较复杂，为了便于仿真与实现，将I1与C1、VTH 、VTL分开考虑，I1由带隙基准源产生，并设计成与温度系数无关。集成电容C1对温度敏感，且只有正温度系数的电容，自身无法做温度补偿；ΔV=VTH -VTL也是温度的函数，且温度系数可控。假设温度τ1时，振荡周期为:

T '= （5）

温度τ2（τ2>τ1）时，振荡周期为:

T "= （6）

令T '=T "，则有：

= （7）

从上式可以看出当I1等于I1'时，电容C为正温度系数，ΔC为正值，为了使上式左右两边相等，ΔV必须大于ΔV '，即为了削弱电容的温度系数对振荡周期的影响，可以使ΔV 呈负温度系数变化，与电容的正温度系数互补。另外比较器和逻辑控制电路的传输延时对于振荡频率的稳定性也会产生影响，但相较于其他因素影响较小，为了便于分析本文不予考虑。本文的比较器采用了文献[6]介绍的高速比较器结构。

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3 电路的具体实现

3.1 高精度基准源电流源电路

本文所设计的带隙基准电流源电路如图2所示：采用自偏置结构，ibias0和ibias1分别为基准源的运放和比较器提供偏置电流；由于运放虚短的作用，运放两输入端的电压值近似相等，且等于二极管方式连接的三极管Q1的基极―发射极电压VBE，VBE与温度成反比，因此流过电阻R1和R2的电流为负温度系数电流[7]；又由于运放的箝位作用，电阻R0上的压降等于两个三极管VBE之差，即：

V=IR 0=V 1n（n） （8）

n为Q0与Q1的发射结面积之比，其中 VT =kT/q为热电压，与温度成正比，因此流过Q1与Q0的电流为正温度系数（PTAT）电流。流过PM0与PM1的电流相等且为这两路电流的叠加，大小为：

I=I=+ （9）

调整R0与R1阻值大小比例可以调整基准电流的温度系数。为了获得最佳的零温度系数，可利用Cadence软件的Parameter Analysis（参数扫描）功能，改变R0和R1的比值对基准源的ppm值进行扫描[8]以获得R0、R1的最佳匹配值。集成电阻本身具有温度系数且存在制造误差，图2中的电阻采用高精度的RPOLYS电阻，并设计成指状交叉排列网络[9]，这种结构能减小制造工艺带来的阻值的误差，又能够提供很好的的匹配性。电流镜PM5镜像电流Iref1在电阻上产生压降作为比较器的比较基准电压输出。为抑制沟道长度调制效应的影响，电流镜管PM0~PM5的栅长L应取较大值[10]。PM6~PM8、NM2构成启动电路,当基准源电路中电流为零时,PM8导通，电源通过PM6和PM8节点充电，节点电位迅速抬高，正常工作情况下PM8的栅源电压 VGS

3.2 新型恒流源充放电电路

设计的恒流源充放电电路如图3所示，该电路的偏置电流Iref与偏置电压Vbias由带隙基准电路提供，通过电流镜管MN1、MN2、MP0的镜像，在逻辑控制电路的控制下给电容C1充放电。调整MP0与MN2的宽长比，可以分别调整充、放电电流的大小，以改变电流的充电和放电时间，从而调整输出振荡波形的占空比以及振荡周期。MP1、MN0、MN3为可控开关。系统上电时，假设电容C1上的电压为0，比较器输出高电平，MN3截止，比较器正向输入端接入的电压为：

V=I（R 0+R 2） （10）

此时CLK信号为低电平，在CLK的作用下MP1打开MN0闭合，系统通过MP0对电容充电至大于VTH时，比较器输出翻转，MN3打开，比较器正相输入端接入比较阈值低电平

V≈I｛（R 1//R 2）+R 2} （11）

此时CLK为高电平，MN0导通，MP1截止，电容通过MN2对地放电至VTL，比较器输出发生翻转，之后重复以上过程。经过以上充放电过程输出端可形成稳定的矩形波脉冲，由式（4）可得该电路的振荡周期为:

T = （12）

上式中I（R-R//R）为ΔV ，如上文所述，为了抑制集成电容的温度系数对于振荡频率稳定性的影响，须构造一种结构令ΔV 呈负温度系数变化：I为零温度系数，如R0采用负温度系数电阻，而R1、R2用正、负温度系数电阻互相补偿构造的近似零温度系数电阻，则ΔV将呈负温度系数变化。可以使用Spectre软件对R0、R1、R2与C1进行参数扫描。

4 仿真结果

本文采用HHNEC 0.35μm CZ6H工艺进行设计，使用Cadence Spectre软件进行了仿真。表1为振荡器的振荡频率随温度变化的仿真曲线，其中曲线1为未对电容的温度系数进行温度补偿时，振荡频率随温度的变化曲线，可以看出电容的正温度系数驱使振荡周期随温度变化升高，温度系数为440ppm/℃；曲线2为将ΔV=VTH -VTL调整为负温度系数时振荡频率随温度变化曲线，可以看出这一补偿方法大大提高了振荡频率的稳定性，温度系数仅为42ppm/℃，对比文献[5]、[11]可以看出，由于采用对电容的温度系数进行了补偿，在相似的电路结构下，振荡频率对于温度的敏感性进一步降低。但振荡精度仍然受温度的影响，这是因为由基准源产生的基准电流并非真正的与温度无关，且比较器和控制逻辑电路存在传输延时，而延时时间又是温度的函数。经仿真得到本设计在标准情况（27℃、标准工艺角）下振荡频率为6.321MHz。

表1为不同工艺角给振荡频率带来的变化。从以上仿真结果不难看出，本文设计的片内振荡器有着良好的温度特性并且能很好的抑制工艺角带来的误差。

5 后端版图设计

版图设计决定了电路的真实性能。本文所设计的电路对于电阻、电容以及三级管的匹配性有着很高的要求；在流片过程中，寄生参数和制造误差是不可避免，为了减小误差，本文采用了如下版图设计方法：需要匹配的器件彼此靠近，方向保持一致；采用根器件法与指状交叉器件方法[12]增强电阻匹配性；双极性晶体管的共心排布对减小在集成电路中存在的热或工艺的线性梯度影响非常有效；真实器件的四周布局了dummy电阻，这样可以防止生产过程中的过度刻蚀所带来的误差；图2中运算放大器采用输入对管的四方交叉布局，能有效抑制输入失调电压Vos对于带隙基准源输出的影响等。本文所设计振荡器的电路总体版图如图5所示，总面积仅为为220μm×150μm。

6 结语

本文提供了一种基于HHNEC 0.35μm CZ6H工艺设计高稳定且结构简单、易于集成的片内振荡器的设计方法，可以很方便地通过改变电容、电流的大小来改变振荡的频率，适应于不同环境温度下的应用；对于有高精度要求的应用场合，还可以通过数字校准技术对振荡频率进行校准，由于文章篇幅限制，数字校准技术将在其它文章中介绍。本文仿真设计了一款振荡频率为6.321MHz的高稳定振荡器，在-20~100℃的温度区间内能够稳定的工作，其温度系数仅为42ppm/℃，该模块可用作各种芯片的片内时钟模块，有着良好的实际应用价值。目前该振荡器已流片并成功并应用于数字电视机顶盒专用芯片FD633中。

参考文献

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[11]李波，吕坚，蒋亚东.一种高精度数字可调片上振荡器设计[J].现代电子技术.2009,10:1-4.

作者简介

陈崴，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计。

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