適用于數(shù)字電源的新型溫度自校準(zhǔn)片上振蕩器的設(shè)計(jì)

謝 煒，馮全源

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適用于數(shù)字電源的新型溫度自校準(zhǔn)片上振蕩器的設(shè)計(jì)

謝 煒，馮全源

（西南交通大學(xué) 微電子研究所，四川 成都 611756）

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于數(shù)字電源的新型溫度自校準(zhǔn)高精度片上振蕩器。該振蕩器利用片內(nèi)集成的環(huán)形振蕩器作為“溫度傳感器”，環(huán)形振蕩器的偏置電流設(shè)計(jì)成與熱力學(xué)溫度成正比，輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率對(duì)溫度變化高度敏感，以此作為溫度校準(zhǔn)的參考信號(hào)，經(jīng)過數(shù)字自校準(zhǔn)算法產(chǎn)生控制RC振蕩器充電電流大小的信號(hào)，校準(zhǔn)RC振蕩器輸出時(shí)鐘頻率，從而完成片上實(shí)時(shí)溫度自校準(zhǔn)的功能。采用雙比較器加SR觸發(fā)器對(duì)稱結(jié)構(gòu)，降低比較器延遲誤差。電路基于0.18 μm BCD工藝模型，采用Cadence和Hspice進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，在–55~+155 ℃溫度范圍內(nèi)，振蕩器輸出中心頻率為10.1 MHz，振蕩器的頻率隨溫度變化的偏移量在±0.6%以內(nèi)。

數(shù)字電源；環(huán)形振蕩器；RC振蕩器；低溫漂；自校準(zhǔn)；高頻率

自2006年開關(guān)電源市場(chǎng)推出第一款數(shù)字電源芯片，模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電源芯片在市場(chǎng)的份額逐年減小，數(shù)字電源以其控制策略巧妙，設(shè)計(jì)可復(fù)用性高，對(duì)工藝依賴性低的優(yōu)點(diǎn)被各大廠商和高校采納和研究。在數(shù)字電源中，由于功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷均是由數(shù)字算法控制實(shí)現(xiàn)，這就要求時(shí)鐘頻率在溫度變化時(shí)漂移盡量小，同時(shí)對(duì)片內(nèi)振蕩器輸出時(shí)鐘信號(hào)要求具備高頻率、高獨(dú)立性等特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)中，RC振蕩器以其成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗較低被廣泛使用[1]。文獻(xiàn)[2-6]的輸出時(shí)鐘頻率均太低，不能應(yīng)用到數(shù)字電源中。文獻(xiàn)[1]提出了一種高頻率數(shù)字可調(diào)的RC振蕩器，但是需要外接電阻陣列來(lái)調(diào)節(jié)頻率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜同時(shí)增加了整體面積，并不適用在開關(guān)電源中。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種數(shù)字自校準(zhǔn)的RC振蕩器，通過芯片內(nèi)部電容陣列來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率，增加了芯片面積。綜上所述，現(xiàn)有振蕩器技術(shù)無(wú)法很好地滿足數(shù)字電源對(duì)溫漂、頻率、面積和獨(dú)立性的要求。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了帶隙隔離策略減小振蕩器的耦合噪聲，通過數(shù)字修調(diào)方法減小溫漂，但是效果不明顯。

本文介紹了一種無(wú)需任何外部元器件或校準(zhǔn)信息的高頻溫度自校準(zhǔn)的振蕩器。綜合了RC振蕩器和環(huán)形振蕩器，其內(nèi)部利用環(huán)形振蕩器對(duì)溫度變化的高敏感度，通過數(shù)字自校準(zhǔn)算法產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)RC振蕩器的充電電流，減小溫度變化對(duì)輸出頻率的影響；采用雙比較器加SR觸發(fā)器對(duì)稱結(jié)構(gòu)，降低比較器延遲的誤差。提供了高頻率高穩(wěn)定性的片上時(shí)鐘信號(hào)，并應(yīng)用于數(shù)字電源芯片內(nèi)部。

1 數(shù)字自校準(zhǔn)振蕩器

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1為設(shè)計(jì)的數(shù)字自校準(zhǔn)振蕩器電路的原理框圖，由RC振蕩器主體、電流源、環(huán)形振蕩器和數(shù)字自校準(zhǔn)等模塊構(gòu)成。

圖1 數(shù)字自校準(zhǔn)振蕩器原理框圖

RC振蕩器主體通過可校準(zhǔn)電流C對(duì)電容C1、C2充放電產(chǎn)生信號(hào)CLK，為芯片中數(shù)字算法部分提供高頻高精度的時(shí)鐘信號(hào)；環(huán)形振蕩器模塊相當(dāng)于片上“溫度傳感器”，其溫度敏感度遠(yuǎn)大于RC振蕩器，輸出信號(hào)CLK_ref用來(lái)作為參考時(shí)鐘信號(hào)；數(shù)字自校準(zhǔn)模塊實(shí)時(shí)對(duì)CLK信號(hào)計(jì)數(shù)、比較調(diào)節(jié)電流源輸出t，從而完成自校準(zhǔn)功能。

1.2 RC振蕩器主體模塊原理

為了分析RC振蕩器主體電路的工作原理，假設(shè)四個(gè)開關(guān)都是高電平閉合，低電平斷開。初始狀態(tài)下SR觸發(fā)器處于復(fù)位狀態(tài)，S=0，R=1，Q=0，QN=1，在這個(gè)狀態(tài)下，開關(guān)QN閉合，開關(guān)Q斷開使電容C2通過回路對(duì)地放電，電流源C對(duì)電容C1進(jìn)行充電，直到電容上的電壓C1超過比較器A1負(fù)端的參考電壓ref；這時(shí)，比較器A1輸出高電平，比較器A2輸出低電平，S=1，R=0，Q=1，QN=0，電容C1通過回路對(duì)地放電，C對(duì)電容C2進(jìn)行充電，直至超過比較器A2負(fù)端輸入ref，于是，電路又回到了初始狀態(tài)。一個(gè)完整的電路振蕩周期完成并按此循環(huán)。假定，電容1=2=，則RC振蕩器輸出時(shí)鐘頻率為：

在常見的RC振蕩器結(jié)構(gòu)中，充電電壓會(huì)分別同H、L比較，由于比較的電壓不同，其上升延遲與下降延遲自然不同，存在設(shè)計(jì)周期與實(shí)際周期不符的情況。在本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)電路中，采用了同一比較電壓輸入的雙比較器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩個(gè)比較器的遲滯特性一樣，有效地消除了由于遲滯特性帶來(lái)的頻率誤差，提高了精度。

1.3 可調(diào)電流源具體實(shí)現(xiàn)電路

圖2是電流源具體實(shí)現(xiàn)電路，其中M1、M2作為主控管，與M3、M4組成共源共柵電流鏡，選擇合適的M9管尺寸，確保M11與M13的柵源電壓相等，并且當(dāng)M10和M12的漏源電壓相等，則會(huì)使共源共柵M12、M13消耗的電壓余度最小，而且精確鏡像電流，產(chǎn)生為RC振蕩器電容充電的固定電流r。

圖2 可調(diào)電流源具體實(shí)現(xiàn)電路

圖2中M14~M19管組成低壓共源共柵結(jié)構(gòu)電流鏡，其中M19管的柵極接數(shù)字校準(zhǔn)模塊輸出的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，M19管導(dǎo)通，精確鏡像電流，產(chǎn)生為RC振蕩器電容充電的可變電流t；當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，M19關(guān)斷，電流為零。最后輸入RC振蕩器的充電電流C為：

1.4 環(huán)形振蕩器模塊原理

在本文設(shè)計(jì)中，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的三級(jí)環(huán)形振蕩器來(lái)檢測(cè)溫度變化。如圖3所示。

圖3 三級(jí)環(huán)形振蕩器基本結(jié)構(gòu)

環(huán)形振蕩器的偏置電流bias被設(shè)計(jì)成與熱力學(xué)溫度成正比，其溫度特性曲線如圖4所示。溫度越高，偏置電流越大，對(duì)寄生電容充放電的速度就越快，輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率就越高。在溫度變化從–55 ℃到155 ℃，偏置電流bias變化從5.4 μA到26 μA。

圖4 環(huán)形振蕩器偏置電流溫度特性曲線

1.5 數(shù)字自校準(zhǔn)原理

理論上，在沒有數(shù)字自校準(zhǔn)模塊時(shí)，圖1所示的電路也能實(shí)現(xiàn)振蕩器的功能，但在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字電源芯片的周圍環(huán)境溫度不斷變化，內(nèi)部振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)頻率會(huì)與目標(biāo)頻率具有一定偏差，甚至這個(gè)偏差會(huì)超出一定范圍導(dǎo)致數(shù)字算法出現(xiàn)較大誤差引起芯片故障。在以往研究中提出的數(shù)字控制RC振蕩器的設(shè)計(jì)，大多是基于芯片制備完成后測(cè)試時(shí)校準(zhǔn)或者芯片外接時(shí)鐘信息元件來(lái)校準(zhǔn)頻率，這在一定程度上增加了成本和占用面積；還有一些研究在芯片內(nèi)部集成電阻陣列或電容陣列，通過數(shù)字控制相應(yīng)地增加或減小電阻或電容值，根據(jù)公式(1)，這在一定范圍內(nèi)能夠有效降低溫度漂移，但是電阻或電容陣列占用的芯片面積較大，同樣會(huì)增加成本，而且制造偏差的存在，影響時(shí)鐘信號(hào)的校準(zhǔn)精度。

本文提出的設(shè)計(jì)可以完成在芯片使用過程中進(jìn)行自適應(yīng)的頻率校準(zhǔn)工作，無(wú)需外接任何時(shí)鐘信息元器件，極大地降低溫度變化對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的影響。可校準(zhǔn)電流源模塊僅由MOS管組成，占用面積小。自校準(zhǔn)環(huán)路獨(dú)立于RC振蕩器主體模塊，這意味著在補(bǔ)償后可以將環(huán)路關(guān)斷以降低功耗。

數(shù)字自校準(zhǔn)原理框圖如圖5所示，上電開始，RC振蕩器主體電路產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)CLK使數(shù)字部分開始工作，當(dāng)數(shù)字部分控制的En_able使能信號(hào)為高電平(En_able=1)，環(huán)形振蕩器模塊和自校準(zhǔn)模塊開始工作，CLK_ref作為自校準(zhǔn)模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)高電平時(shí)期的CLK信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果同寄存器內(nèi)部設(shè)置的常數(shù)范圍進(jìn)行比較。如果計(jì)數(shù)結(jié)果大于常數(shù)，這意味著此時(shí)CLK_ref頻率增大，溫度變高，CLK頻率會(huì)偏高，自校準(zhǔn)模塊會(huì)在同一周期通過調(diào)節(jié)4 bits信號(hào)，相應(yīng)地減小對(duì)電容充電的電流。正常情況下，調(diào)節(jié)4 bits信號(hào)為0111，每一位控制一路修調(diào)電流，假設(shè)此時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)為0110，t減小，根據(jù)公式(1)和(2)，時(shí)鐘信號(hào)頻率降低；反之，如果計(jì)數(shù)結(jié)果小于設(shè)定的常數(shù)，此時(shí)CLK頻率偏低，充電電流被調(diào)大，時(shí)鐘信號(hào)頻率恢復(fù)到正常范圍。

圖5 數(shù)字自校準(zhǔn)原理框圖

假定溫度在27 ℃時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，此時(shí)CLK信號(hào)頻率為，CLK_ref信號(hào)頻率為ref。環(huán)形振蕩器輸出時(shí)鐘CLK_ref隨溫度變化比例為ref，RC振蕩器主體輸出時(shí)鐘CLK隨溫度變化比例為。通過改變環(huán)形振蕩器偏置電流設(shè)計(jì)ref/=16.5。

式中：Δ是溫度變化量。

由式（5）可以看出，溫度變化后兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)頻率的比例會(huì)大于或小于在寄存器內(nèi)部設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)這個(gè)比例相應(yīng)地調(diào)節(jié)電容充電電流，最終使CLK時(shí)鐘信號(hào)頻率穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

基于BCD 0.18 μm 5 V工藝，設(shè)計(jì)了一款10.1 MHz的振蕩器，利用Hspice仿真軟件對(duì)數(shù)字自校準(zhǔn)RC振蕩器電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真條件：電源電壓為5 V，RC振蕩器主體基準(zhǔn)電壓ref=1.25 V，對(duì)溫度從–55 ℃到155 ℃進(jìn)行直流掃描。環(huán)形振蕩器輸出時(shí)鐘信號(hào)CLK_ref頻率溫度特性曲線如圖6所示。

圖6 環(huán)形振蕩器輸出信號(hào)頻率溫度特性曲線

在溫度從–55 ℃變化到155 ℃，CLK_ref信號(hào)頻率從36.9 MHz變化到100.4 MHz，符合設(shè)計(jì)初對(duì)參考時(shí)鐘信號(hào)的溫度高靈敏度的要求。

表1列出在溫度為27 ℃時(shí)，電源電壓在4.5~5.5 V變化范圍內(nèi)，振蕩器輸出頻率CLK的仿真結(jié)果。電源電壓波動(dòng)10%以內(nèi)，振蕩器輸出時(shí)鐘頻率偏移在0.9%左右。

表1 時(shí)鐘頻率隨電源電壓仿真結(jié)果

Tab.1 The simulating result of frequency varying with power supply voltage

圖7為振蕩器輸出頻率溫度特性曲線，圖中，正方形連線表示未經(jīng)過任何校準(zhǔn)的CLK時(shí)鐘信號(hào)的溫度特性曲線，在溫度變化范圍為–55~+155 ℃，頻率變化范圍為9.9~10.27 MHz。三角形連線為自校準(zhǔn)過后的溫度特性曲線，可以看出，校準(zhǔn)后的最終輸出頻率為10.1 MHz，時(shí)鐘信號(hào)頻率穩(wěn)定在10.04~10.145 MHz，波動(dòng)不超過±0.6%。

圖7 振蕩器輸出頻率溫度特性曲線

3 結(jié)論

基于0.18 μm BCD工藝，設(shè)計(jì)了一種新型片上振蕩器，無(wú)須任何外接時(shí)鐘信息元件，通過數(shù)字自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)充電電流輸出頻率。在較寬溫度范圍–55~+155 ℃，振蕩器輸出時(shí)鐘頻率波動(dòng)不超過0.6%。該電路不僅完全滿足數(shù)字電源芯片對(duì)溫漂的應(yīng)用需求，亦可單獨(dú)集成為時(shí)鐘芯片，其輸出頻率為10.1 MHz，但并不局限于10.1 MHz。

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（編輯：張金平）

Design of a novel on-chip oscillator with temperature self-calibration for digital power

XIE Wei, FENG Quanyuan

(Institute of Microelectronics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)

A novel on-chip oscillator with temperature self-calibration was designed for digital power. The oscillator used ring oscillator on chip as a “temperature sensor”, the offset current of ring oscillator was designed to be proportional to thermodynamic temperature. As a reference signal for calibration, the frequency of the output clock signal was highly sensitive to temperature. The self-calibration algorithm controlled the current of RC oscillator and calibrated the output clock frequency, which completed real-time temperature self-calibration function. The symmetric structure of two comparator and SR trigger was adopted to reduce the delay error. Based on 0.18 μm BCD process, the circuit was simulated by using Cadence and Hspice software. The simulation results show that the center frequency is 10.1 MHz, and the offset of oscillator frequency with temperature variation is within ±0.6% when the temperature ranges in –55－+155 ℃.

digital power; ring oscillator; RC oscillator; low temperature drift; self-calibration; high-frequency

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.12.005

TN432

A

1001-2028（2017）12-0021-04

2017-09-06

馮全源

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助（No. 61531016）；四川省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助（No.2016GZ0059；No.2017GZ0110）

馮全源（1963－），男，江西景德鎮(zhèn)人，教授，研究方向?yàn)閿?shù)字、模擬及射頻集成電路設(shè)計(jì)，E-mail: fengquanyuan@163.com ；

謝煒（1991－），男，山西運(yùn)城人，研究生，研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)，E-mail: xdm2138@163.com 。

2017-11-30 14:13

網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171130.1413.010.html