一種調節供電進行溫度補償的高精度時鐘電路*

劉銘揚 ，王小松 ，劉 昱

(1.中國科學院微電子研究所，北京 100029；2.中國科學院大學，北京 100049；3.新一代通信射頻芯片技術北京市重點實驗室，北京 100029)

0 引言

參考時鐘于任何模數混合電路而言，都是尤為重要的組成部分。通常用來產生時鐘信號的方式有兩種：其一是使用片外晶體振蕩器、陶瓷振蕩器等，雖說可以輸出恒定的頻率，卻難以避免地增加了整個系統的面積和成本；其二是設計片內集成振蕩器，按照結構類型的不同，又可以劃分為遲滯振蕩器、LC振蕩器和環形振蕩器[1]。

相較于其他幾種片內集成振蕩器，環形振蕩器僅由奇數個反相器串聯而成，其功耗較低，結構簡單，且輸出頻率不受限，所以應用范圍更廣。但環形振蕩器的輸出頻率更容易受到工藝參數、溫度和供電波動帶來的影響，由此帶來很大的時鐘偏差[2]。如何對不可抗因素造成的偏差進行補償，以提高環振電路輸出頻率的可靠性與穩定性，一直都是一項具有挑戰性的工作。

目前國內外關于溫度補償的片內時鐘振蕩器設計，如文獻[3-6]，大多使用包含運算放大器的帶隙基準源、額外的片內電容、LDO穩壓電路以及額外的補償電壓運算電路等進行補償。而本文基于SMIC 0.18 μm CMOS標準工藝設計出的高精度時鐘電路，無需繁冗的補償單元，僅憑借基準電流源和超源跟隨器級聯的結構，便足以產生對溫度自校準的補償電壓，來控制環形振蕩器輸出穩定的振蕩頻率，后又通過簡單的倍壓單元，最終可輸出幅值為1.8 V、頻率穩定在2 MHz、占空比為50%的時鐘信號，其結構框架如圖1所示。當溫度變化為-40 ℃～85 ℃時，時鐘偏差小于1%。當供電電壓由1.6 V波動至2 V，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內，時鐘輸出頻率的最大變化范圍僅為28 Hz。

圖1 帶溫度和工藝補償的高精度時鐘電路結構框圖

1 環振及其溫度補償原理

1.1 環形振蕩器原理

最簡單的環形振蕩器由奇數個反相器串聯而成，在設計中選取反相器個數為5個，如圖2所示。其振蕩頻率為：

圖2 五級反相器構成的環形振蕩器

td為每一級反相器的傳播延時，其定義如下：

其中Reqn和Reqp分別為NMOS和PMOS的導通電阻:

為方便計算，假設NMOS管與PMOS管的寄生電容與導通電阻相同，則有:

1.2 溫度對環形振蕩器輸出頻率的影響

環形振蕩器輸出頻率受溫度的影響主要來源于載流子遷移率與閾值電壓對溫度的依賴關系。

從文獻[7]中，可以得到載流子遷移率與過驅動電壓隨溫度變化的關系如下：

VTH(T)=VTH(T0)[1+TCVTH·(T-T0)](6)

由此得出修正后的振蕩頻率公式如下：

溫度與環形振蕩器輸出頻率呈負相關，溫度越高，環形振蕩器輸出頻率越低。仿真圖2中環形振蕩器輸出頻率隨溫度的變化，所得結果如圖3所示。當溫度由-40 ℃變化到85 ℃時，該環形振蕩器輸出頻率的最大差值可達到993 kHz，頻率偏差最高達到49.7%。

圖3 五級環形振蕩器頻率隨溫度變化曲線

文獻[8]以反相器輸出電壓的下降時間為切入點，推導出另外一種振蕩頻率的表達公式：

由式(9)可知，當VDD增加時，環形振蕩器的輸出頻率也會隨著增加，仿真圖2中的環形振蕩器，得到頻率隨供電波動的變化如圖4所示。

圖4 供電對環形振蕩器輸出頻率的影響

供電與環形振蕩器輸出頻率呈正相關，而溫度與環形振蕩器輸出頻率成負相關，這為我們提供溫度補償的思路，即將VDD更換為與溫度呈正相關的VCTRL，隨著溫度增加，VCTRL增加，控制環形振蕩器輸出頻率增加，以補償溫度增加造成的環形振蕩器輸出頻率衰減。

2 調節供電進行溫度補償的高精度時鐘電路設計

2.1 溫度補償單元設計

本設計中，補償單元由自啟動電路、基準電流源、超源跟隨器三部分組成，其電路原理圖如圖5所示。

設置合適的寬長比，使NM3和NM4工作在亞閾值區，流經R1的電流IR1可表示為[9]：

其中VT=KT/q。

取NM4的寬長比為NM3的N倍，則有：

從而得到：

可以發現，IR1是一個與溫度正相關的IPART電流，該電流以1：1的關系鏡像至R2，可以推導出：

展開VR2可得出：

由式(14)可以得到VR2是一個正溫度系數電壓，且與溫度呈線性關系，通過調節R1、R2、N，即可以補償溫度變化為時鐘電路帶來的偏差。

流經PM4、NM5、NM7的電流為IR1的等比復制，調整NM8的寬長比，使流經NM8的電流也等于IR1，即有|Vdsatp6|=Vdsatn8，展開Vsgp6可以得到：

圖5 溫度及工藝補償單元電路圖

由式(16)可知，通過適當調節NM8管的尺寸，可以調整Vsgp6，以調整VCTRL的值，既而消去溫度及工藝偏差引發的閾值電壓變化。

同時超源跟隨器置于基準電流源與環形振蕩器間，可起到緩沖作用，降低設計中對R2的阻值要求，但NM6、NM8構成了負反饋，必要時可以增加米勒補償電容CM來提高環路的穩定性。

將式(9)中的VDD替換為VCTRL可得到本設計中的振蕩頻率公式。

此外針對實際制造過程中的工藝偏差，可通過修調基準電壓源中R1的電阻值以消去工藝偏差引發的環振頻率變化[10]。

2.2 倍壓單元的設計

環形振蕩器輸出信號的幅值與VCTRL相等，若想作為時鐘信號后續用于數?；旌想娐分?，需對其進行一個抬升，圖6所示為一個簡單的倍壓電路原理圖，需注意將PM1的襯底連接至VDD以避免寄生PN結的導通[10]。

圖6 倍壓電路

3 電路仿真和測試結果

本文設計的帶有溫度和工藝補償的高精度時鐘電路基于SMIC 0.18 μm CMOS標準工藝進行仿真測試以驗證正確性。

將溫度掃描范圍定義為-40 ℃～85 ℃，仿真時鐘頻率fCLK隨溫度的變化曲線如圖7所示，時鐘頻率穩定在2 MHz，最大變化范圍為19 kHz，時鐘偏差小于1%。

圖7 時鐘頻率隨溫度的變化曲線

分別在1.6 V、1.8 V、2.0 V三種供電下進行-40 ℃～85 ℃的溫度掃描，得到的仿真結果如圖8所示。時鐘頻率穩定在2 MHz，時鐘輸出頻率最大變化范圍為28 Hz。

圖8 不同供電下時鐘頻率隨溫度的變化曲線

本文同其他文獻的測試結果對比如表1所示，可以看出，相較于其他文獻，本文的電路結構更為簡單，補償效果也更優。

表1 本文與其他文獻測試結果對比

4 結論

本文設計了一種通過調節供電電壓進行溫度補償的高精度時鐘電路，時鐘的振蕩頻率不受溫度及工藝波動的影響。仿真結果表明，溫度從-40 ℃變化到85 ℃時，時鐘頻率最大變化僅為19 kHz，時鐘偏差小于1%；當供電電壓由1.6 V變化到2.0 V時，在-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內，頻率變化最大值僅為28 Hz，且結構簡單，更易與其他模數混合電路集成。