低功耗振蕩器設計

華中科技大學 楊 景 曾 強 高一凡

低功耗振蕩器設計

華中科技大學 楊 景 曾 強 高一凡

在小型化可穿戴電子產品中，晶體振蕩器作為SOC參考時鐘占有很大的空間體積，如果設計高精度VCO,可以省去晶體空間體積，降低成本及晶體參考時鐘部分電路功耗。本設計用改進的補償模塊降低頻率穩定性受PVT變化的影響，采用華潤上華0．35umCMOS工藝，在華大九天Aether平臺上實現了一個中心頻率為433．92MHz的低功耗高精度振蕩器。

環形振蕩器；低功耗；頻率補償

根據設計目標，我們使用帶隙基準電路提供PTAT偏置電流，通過補償模塊提供控制電壓給VCO模塊，使得振蕩器達到較為穩定的工作頻率。

圖1 整體結構圖

帶隙模塊負責提供PTAT的電流基準，從而利用電流鏡鏡像的方式提供各支路的偏置電流，同時該電流與絕對溫度成正比，當溫度升高時，VCO模塊的偏置電流增大，使得振蕩頻率升高，當溫度降低時，則使得振蕩頻率降低，因此，可以起到一定程度上的頻率補償作用。而電路的核心VCO模塊要有較好的線性度，適當的中心頻率以及寬的頻率調節范圍。根據巴克豪森準則，要使電路起振，整個電路的環路增益H(jw)必須滿足：

圖2 VCO中的單級放大器

以下是經過推導的該VCO的頻率和低頻增益的表達式：差分延時單元每級延時：

振蕩頻率：

每級VCO的低頻增益Av滿足：

差分延時單元與單端輸入輸出的緩沖級比，差分緩沖級輸出對環境噪聲具有更強的抗干擾能力。振蕩頻率隨著Vctrl的增加而減小，隨著bias即偏置電壓的增大而增大。

然而，我們需要有補償電路來生成控制VCO振蕩頻率的控制電壓Vctrl，同時能夠補償電源電壓，溫度和工藝角變化對振蕩頻率的影響。

圖3 補償模塊的等效電路圖

環形振蕩器的頻率受到溫度和工藝參數漂移的影響，這主要是源于MOS管的性能隨溫度和工藝參數的漂移而改變。例如：當溫度和工藝參數變化時，載流子遷移率和閾值電壓將會隨之變化，從而影響了環形振蕩器的頻率。當溫度和工藝變化時，載流子的遷移率以及閾值電壓會隨著溫度的改變而改變，具體變化的函數關系可用以下公式來表示：

其中α表示負溫度系數，即閾值電壓的絕對值隨溫度升高而減小。

當溫度升高時，載流子遷移率減小，閾值電壓絕對值減小，綜合起來頻率會降低，相反，溫度降低時頻率升高。

工藝模擬仿真分為五種情況，分別為：

ff,ss,tt,fs,sf。

其中，前者表示NMOS管的工藝情況，后者PMOS管的工藝情況，將兩者組合即為系統的工藝情況。工藝中的最快和最慢指的是在工藝制造過程中，由于柵氧化層的厚度與摻雜濃度的不均勻所導致的MOS管閾值電壓的值和載流子遷移率的不確定性，f表示閾值電壓的絕對值最小，s表示閾值電壓的絕對值最大，t表示中等。

當從快工藝角過渡到慢工藝角時，頻率降低。

圖4 補償模塊核心電路

補償機理：

（1）溫度補償，由于三極管的VBE隨著溫度的升高而降低，所以V1具有負溫度系數，也就補償了溫度對頻率的影響；

（2）工藝補償，在此次的華潤上華工藝中，主要是PMOS的工藝角的變化對頻率有較大影響。當從快工藝角到慢工藝角時，此支路上面的兩個二極管連接的PMOS的閾值電壓絕對值增大，所以等效電阻變大，導致V1（即M2管的漏極電壓）減小，當從慢工藝角到快工藝角時，V1增大，從而可以補償工藝角的變化對頻率的影響；

（3）電源電壓補償：

Vctrl隨著VDD呈直線上升，斜率近似為1，即（VDD -Vctrl）的值是一個定值，根據振蕩頻率f的表達式，Vctrl隨VDD的變化有效的補償了頻率隨VDD的變化。當然，VDD還通過影響工作電流，輸出節點的電阻，對地電容來影響頻率。

生成V1之后，再連接一個運算放大器，對補償斜率進行調節，也就加大了補償程度，以實現更加精確的補償，由于電阻負反饋將V1增大到原來的2.25倍（即運放的輸出V2=2.25*V1），此時輸出太大，必須將其減去一個定值，即將運放的輸出V2再接源一個跟隨器(由M3和M4管組成)，減去一個Vgs的值，得到最終的Vctrl，來控制VCO的頻率。

電路優點總結：

（1）帶隙基準源輸出的PTAT電流隨電源電壓，工藝角的變化非常小，與絕對溫度成嚴格的正比例關系，為電路其他部分提供了穩定的偏置；

（2）VCO模塊采用差分結構，相對于單端輸入輸出的延時單元來說,差分延時單元對環境噪聲具有更強的抗干擾能力；

（3）整形模塊達到了比較大的增益，將具有一定相位噪聲的正弦波變成了數字方波；

（4）VCO模塊中，Vctrl和偏置bias分開，這樣就為我們補償振蕩頻率隨PVT的變化提供了兩條途徑，使得補償的余地更大。（如果一個端口既作為偏置端口，又作為Vctrl,則頻率穩定度肯定不如現在的效果好，因為一個端口同時“干了兩件事情”。）

[1]原著Behzad Razavi,陳貴燦,程軍,張瑞智,等譯．模擬CMOS集成電路設計[M]．西安交通大學出版社．

[2] 李學軍．帶溫度和工藝補償的環形振蕩器的設計,湖南大學,2012年7月．