低功耗的電流饑餓型環形振蕩器

北方工業大學微電子學系 毛帥宇 葉彤旸 郭 紅

低功耗的電流饑餓型環形振蕩器

北方工業大學微電子學系 毛帥宇 葉彤旸 郭 紅

本文介紹了一種與溫度無關的低功耗電流饑餓型環形振蕩器，與普通RC、LC等振蕩器相比，此振蕩器要求的工作電流更小，因此功耗較小，使用的環形振蕩器結構結構簡單，節約版圖面積。

振蕩器；低功耗；CMOS反相器

0 引言

隨著半導體行業的發展，生產技術的不斷提高，芯片的面積做的越來越小。在面積做小的同時，對于芯片內部各模塊的低功耗，高穩定，高精度要求也越來越高。其中，振蕩器在在通信，電子，航空航天等領域具有十分廣泛的用途。主要的功能是產生一個時鐘信號。尤其在電子及通信系統中，振蕩器是關鍵部件，在鎖相環電路、時鐘恢復電路和頻率綜合器電路中等更是重中之重。有許多方法能夠產生一個時鐘信號，比如RC振蕩器結構，LC振蕩器結構，環形振蕩器結構等。但如果沒有任何補償電路，振蕩器將持續理想的工作狀態。實際上，輸出頻率將很大程度上受到溫度和電路內部參數的影響。為了減輕溫度對于振蕩器輸出的影響，進行了如下電路設計。

1 功能綜述

本設計電路（見圖1）為使用反向器構成環形振蕩器的低功耗振蕩器。工作電壓為2.5~5.5V，正常工作電壓為3.3V，正常工作振蕩頻率為315MHz,頻率的誤差在4.7%。工作溫度范圍為-30~80℃，高低溫下工作頻率誤差約為± 0.3%，工作電流為0.3mA。所設計電路模塊簡單，由一個LDO電路，提供振蕩器的工作電壓，一個溫度補償電路為電流饑餓型反相器提供可控可調的偏置電流。振蕩器輸出部分接入電平轉換電路，進一步保證振蕩器時鐘信號的穩定和精確。本電路具有功耗低，工作頻率穩定等優點，不足之處在于波形不夠規整導致精確度略有下降。

2 振蕩器

環形振蕩器由奇數（三個及以上）個非門輸出端和輸入端首尾相接，構成環狀。這種振蕩器線路簡單，起振容易。振蕩器頻率由每個反相器的延遲時間和級聯成振蕩器的反相器個數決定。每個單元的延遲時間由輸入負載電容、通過的電流和施密特觸發器閾值電壓決定。為保證輸出時鐘信號的規整，通常會在振蕩器尾端加入反相器對信號進行緩沖。

電流饑餓型振蕩器不但結構簡單，而且可以通過控制反相器偏執電流的大小和負載電容充放電電流大小來靈活的控制振蕩頻率。本實驗使用了電流饑餓型壓控環形振蕩器電路。如圖2所示，電路的末端加入了一個反相器對輸出波形進行緩沖。

如公式（1）所示，計算得振蕩器輸出時鐘頻率

公式中N為反相器個數，C為輸入負載電容，V為施密特觸發閾值電壓，通過調節工作電流保持輸出時鐘信號穩定。

根據公式可以看出，通過調節振蕩器的工作電流大小可以對振蕩器進行調節，只要保證電流恒定，就能保證振蕩器輸出頻率工作穩定。

圖2 環形振蕩器結構

圖4 BG5電路結構

振蕩器的平均功率為：

一般來說，電流饑餓型振蕩器的輸出要經過1~2級反相器緩沖后在輸出。在振蕩器輸出端接一個大電容負載能夠顯著影響振蕩頻率或將增益降低到足夠小而導致振蕩器不再震蕩。

圖3 LDO結構

3 LDO和帶隙基準

我們使用如圖3所示LDO結構。它包括了一個溫度補償和偏置電路（BG5）、一級放大器、驅動電流MOS管以及頻率補償電容。BG5電路為環形振蕩器提供了偏執電流和基準電壓。將基準電壓通過一級放大器進行放大，達到振蕩器所需的工作電壓，使振蕩器能夠工作在穩定的工作電壓下。

如果給振蕩器偏置電流設置為一個恒流源，振蕩器的輸出頻率會隨著溫度增加而頻率減小。為了保證輸出頻率的穩定，需要BG5電路產生一個有較小的正溫度系數的偏執電流。本設計采用了溫度補償的電路結構。如圖4所示中，BG5電路有五部分組成。

啟動電路為電路產生一個開啟電流，當后續電路進入正常工作后關斷。PTAT偏置電路即為產生正溫度系數電流的電路。由于兩晶體管工作在不相等的電流密度下，基極-發射極電壓差與溫度成正比：

CTAT電路為產生一個負溫度系數電流的電路，晶體管具有正溫度系數特性：

由此可以得到：

圖5 IREF溫度特性仿真

同時BG5電路中還包含一個產生基準電壓電路，公式如（9）所示：

圖6（a）的DC工藝角仿真

圖6（b）溫度特性仿真

4 整體電路仿真

對電路整體進行輸出信號仿真如圖7所示。

圖7 振蕩器在工作電壓3.3V下不同溫度下仿真結果

在正常工作電壓3.3V下，在-30~80℃溫度區間內，本設計的振蕩器能夠保持315MHz穩定工作。具體工作電流仿真如圖8所示，約為0.5mA。相較于RC振蕩器結構來說，RC振蕩器是通過電容充放電來產生時鐘信號。但是如本設計所要求的315MHz來說，所需求的工作電流會大很多。

圖8（a）3.3V下工作電流仿真

圖8（b）3.3V下FTT頻譜圖

根據圖8（b）可以看出，3.3V工作電壓下，后續有五條較小的基頻，為高次諧波造成了，為電路中寄生參數導致，可以調整電路設計進行改良。

圖9 電路整體版圖

5 設計總結

本設計使用了饑餓型環形振蕩器設計，影響環形振蕩器輸出信號的主要是反相器個數造成的反相器內部延遲以及偏置電流的選取。通過控制負載電容的充放電電流的大小可以靈活控制震蕩頻率。同時與簡單的RC電路相比，具有工作電流小，可調性靈活等特點。設計中的溫度補償電路使用了晶體管的特性來產生正負溫度系數電流，根據正負補償的特性合成所需的溫度特性電流，結構簡單且方便調節所需電流大小。本文的設計是基于華潤上華0.35μm工藝，仿真工具采用Aether。仿真結果表明，本振蕩器在3.3V正常工作電壓下，工作電流僅為0.5mA，且工作頻率在-30~80℃內穩定工作頻率為315MHz，基本實現了設計要求。

[1]閆琳靜,楊建．一種CMOS電流饑餓型環形壓控振蕩器．貴州大學．微型機與應用,2011,30(5)．

[2]Hyeonseok Hwang,Chan-Hui Jeong, Chankeun Kwon,Hoonki Kim,Youngmok Jeong,Bumsoo Lee, and Soo-Won Kim,”A 6MHz CMOS Reference Clock Generator with Temperature and Supply Voltage Compensation”:IEEE,Solid-State and Integrated Circuit Technology,Vol．11,pp．49-52,Oct．2012．

[3]Sahakoon Panyai,Apinunt Thanachayanont,”Design and Realization of a Process and Temperature Compensated CMOS Ring Oscillator”: IEEE, Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology ,Vol．9,pp．16-18,May．2012．

[4]Jianguo Tang, Fang Tang,”Temperature and Process IndependentRing-Oscillator Using Compact CompensationTechnic”,IEEE,Anti-Counterfeiting Security and Identification in Communication,Vol．,pp．49-52,July．2010．

毛帥宇，北方工業大學，微電子學系，本科在讀。葉彤旸，北方工業大學，微電子學系，本科在讀。郭紅，北方工業大學，微電子學系，本科在讀。

本文受北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目資助，特此致謝。