一種應(yīng)用于SD/MMC控制器的RC振蕩器設(shè)計

駱建軍，范旭東，劉海鑾

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子研究中心，浙江 杭州 310018；2.杭州華瀾微電子股份有限公司，浙江 杭州 311215)

一種應(yīng)用于SD/MMC控制器的RC振蕩器設(shè)計

駱建軍1，范旭東1，劉海鑾2

(1.杭州電子科技大學(xué)微電子研究中心，浙江 杭州 310018；2.杭州華瀾微電子股份有限公司，浙江 杭州 311215)

設(shè)計了一種數(shù)字可調(diào)RC振蕩器電路，并將其集成于SD/MMC控制器芯片，用于產(chǎn)生對存儲介質(zhì)的控制時鐘.該RC振蕩器是一種張弛振蕩器，使用內(nèi)部MOS電容，可選擇使用內(nèi)部電阻或外部電阻，其內(nèi)部電阻為3位可調(diào)節(jié).使用Cadence Spectre仿真平臺對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真.最后，將所設(shè)計電路應(yīng)用于基于SMIC 0.13 μm邏輯CMOS工藝的SD/MMC控制器芯片上，芯片測試結(jié)果表明，該振蕩器的中心頻率約為306 MHz，在-10～80 ℃的溫度范圍內(nèi)精度達(dá)到±0.42%，滿足應(yīng)用要求.

RC振蕩器；SD/MMC控制器芯片；頻率可調(diào)

0 引 言

時鐘信號是大規(guī)模數(shù)字集成電路的重要組成部分.RC振蕩器因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于集成等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于片上時鐘產(chǎn)生電路.傳統(tǒng)RC振蕩器的輸出頻率受電路延時、工藝、電源及溫度的影響，誤差在1%～10%之間.國內(nèi)外學(xué)者對RC振蕩器的研究工作主要集中在提高其精度上.文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種利用電壓反饋控制的RC振蕩器，通過采樣自身輸出信號的脈沖寬度，將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，并與一個參考電壓比較，糾正了由溫度變化及電路延遲產(chǎn)生的頻率誤差.文獻(xiàn)[2]提出了一種數(shù)字可調(diào)RC振蕩器，通過仿真確定了振蕩器頻率在工藝、溫度及電壓變化時的誤差，使用多晶硅可調(diào)電阻陣列消除了電源及工藝變化引起的誤差.文獻(xiàn)[3-4]通過對并聯(lián)電流鏡進(jìn)行控制，改變振蕩器的工作電流，實現(xiàn)對頻率的修調(diào).通過雙比較器對稱結(jié)構(gòu)加RS觸發(fā)器的設(shè)計，消除了比較器延遲帶來的誤差.文獻(xiàn)[5]設(shè)計的RC振蕩器應(yīng)用于無線傳感器，其結(jié)構(gòu)能消除比較器輸入失調(diào)電壓的影響，提高了精度，并針對超低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化.文獻(xiàn)[6]提出的自校準(zhǔn)RC振蕩器，利用環(huán)形振蕩器感知環(huán)境溫度的變化.計數(shù)器對環(huán)形振蕩器輸出信號周期進(jìn)行計數(shù)，產(chǎn)生反饋信號，控制主RC振蕩器的電容陣列，減小溫度對輸出頻率的影響.

上述文獻(xiàn)所設(shè)計的RC振蕩器頻率都低于20 MHz.在分析比較了各種RC振蕩器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種高頻數(shù)字可調(diào)RC振蕩器，采用雙比較器加RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，可選擇使用內(nèi)部可調(diào)電阻或外部電阻對頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低了溫度、電源電壓以及工藝偏差對輸出時鐘頻率的影響，提供了一個高頻率高穩(wěn)定度的片上時鐘信號，并應(yīng)用于SD/MMC控制器芯片內(nèi)部.

1 電路設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

恒定電流IC為電容C1，C2充電.PM5，PM6，NM3，NM4為電容充放電的控制開關(guān).當(dāng)CTL信號為低電平時，開關(guān)管PM5導(dǎo)通，PM6關(guān)斷，電流IC全部流過PM5對電容C1充電.隨著C1電壓升高，CMP1電壓逐漸降低.CMP1通過反相器接到開關(guān)管NM3柵極，NM3的柵極電壓升高，最后使NM3導(dǎo)通，電容C1通過NM3放電.C1放電結(jié)束，CTL信號變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管PM5關(guān)斷，PM6導(dǎo)通，電流IC全部流過PM6對C2充電，充放電過程同C1.隨著電流IC輪流為C1，C2充電，RS觸發(fā)器的輸出端產(chǎn)生周期性的脈沖方波.C1，C2的充電周期分別為T1=C1VC/IC，T2=C2VC/IC.VC為電容充電使反相器發(fā)生翻轉(zhuǎn)所需達(dá)到的電壓.因此，脈沖方波的振蕩周期為：

(1)

圖1 電路總體結(jié)構(gòu)

1.2 電阻部分設(shè)計

RC振蕩器電阻部分設(shè)計如圖2所示.rint_en為內(nèi)部電阻使能信號.當(dāng)rint_en信號為高電平時，NM19關(guān)斷，NM18導(dǎo)通.RC振蕩器使用內(nèi)部多晶硅電阻控制電流IC，信號freq0，freq1，freq2控制開關(guān)管NM15，NM16和NM17以調(diào)節(jié)電流大小.當(dāng)rint_en信號為低電平時，開關(guān)管NM19導(dǎo)通，NM18關(guān)斷，RC振蕩器使用外部電阻控制電容IC.此時，可通過選擇適當(dāng)?shù)耐獠侩娮?，調(diào)節(jié)振蕩器輸出時鐘的頻率.

圖2 電阻部分設(shè)計

1.3 運(yùn)放及偏置電路

運(yùn)放及其偏置電路設(shè)計如圖3所示.運(yùn)放采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，由兩級放大器構(gòu)成.NM11和NM12構(gòu)成輸入差分對，是放大器的共源級，電阻R7為差分對提供尾電流.PM12和PM14構(gòu)成電路的共柵增益級，PM11和PM13構(gòu)成恒流源既作為第一級的有源負(fù)載同時也為第二級電路提供電流源，NM13和NM14為鏡像電流源，作為電路的有源負(fù)載同時也起到雙端轉(zhuǎn)單端的作用.仿真結(jié)果表明，在VDD為1.2 V時，運(yùn)放的直流增益為51.6 dB，相位裕度為72.1°，單位增益帶寬達(dá)到153.9 kHz，滿足電路精度和環(huán)路穩(wěn)定性的要求.

圖3 運(yùn)放及偏置電路設(shè)計

1.4 主要參數(shù)設(shè)計

本文電路主要參數(shù)見表1.電容C1，C2是通過將NMOS管襯底、漏端和源端短接在一起而實現(xiàn)的.電容大小和充電電流的設(shè)定使振蕩頻率在300 MHz左右.電阻阻值的設(shè)定使阻值能夠在3.77～8.18 kΩ之間以11%的步長進(jìn)行調(diào)節(jié).

表1 RC振蕩器主要參數(shù)設(shè)計結(jié)果

2 仿真和測試結(jié)果的分析

本文電路基于SMIC 0.13 μm邏輯CMOS工藝，采用Cadence的Spectre進(jìn)行仿真.設(shè)定各內(nèi)部電阻大小為R0=0.63 kΩ，R1=1.27 kΩ，R2=2.51 kΩ，R3=3.77 kΩ.

另外，本文電路應(yīng)用于基于SMIC 0.13 μm邏輯CMOS工藝的SD/MMC控制器芯片，流片后對實際芯片進(jìn)行測試，測試環(huán)境示意圖如圖4所示.當(dāng)主機(jī)對測試版進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時，SD/MMC控制器產(chǎn)生一個時鐘信號CLK_Out(只在測試模式下輸出).CLK_Out即為RC振蕩器的輸出時鐘CK經(jīng)過2分頻后的輸出，用于觀察和測試，即CK頻率是測量到的CLK_Out頻率的2倍.用示波器(LeCroy HDO4054)測量得到時鐘信號CLK_Out的頻率.高低溫試驗箱(GDW-100C)用于控制SD/MMC控制器所處的環(huán)境溫度.

圖4 測試環(huán)境示意圖

2.1 內(nèi)阻-頻率關(guān)系

圖5 內(nèi)阻-頻率仿真及測試曲線

設(shè)置電源電壓為1.2 V，仿真溫度T=20 ℃，在不同數(shù)字修調(diào)值下對RC振蕩器的輸出頻率CK進(jìn)行仿真.實際測試時，設(shè)定高低溫試驗箱的溫度為20 ℃.在固件中，設(shè)定rint_en為高電平，使能內(nèi)部電阻調(diào)節(jié)頻率.仿真及測試結(jié)果如圖5所示.

仿真及測試結(jié)果顯示，數(shù)字修調(diào)能夠有效調(diào)節(jié)RC振蕩器的輸出頻率，頻率變化在227.74～356.33 MHz之間.對于常見的存儲介質(zhì)如閃存(Flash Memory)，其對時鐘信號的頻率的要求在0～200 MHz之間.通過內(nèi)部電阻的修調(diào)，加上后續(xù)分頻電路的設(shè)計，RC振蕩器的輸出頻率能夠滿足存儲介質(zhì)對時鐘信號頻率的要求.

2.2 溫度-頻率關(guān)系

設(shè)置電源電壓為1.2 V，數(shù)字修調(diào)值為100，溫度步長為10 ℃.在-10～80 ℃溫度范圍內(nèi)對RC振蕩器進(jìn)行仿真，CKa和CKb分別為最差和最好情況工藝參數(shù)下得到的仿真頻率.CKt為使用同樣條件對實際芯片進(jìn)行測試所得頻率.仿真及測試數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 RC振蕩器輸出頻率仿真及測試結(jié)果

圖6 振蕩器輸出頻率仿真及測試曲線

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在-10～80 ℃溫度范圍內(nèi)，仿真頻率CKa偏差在±3.3%以內(nèi)，CKb偏差在±2.2%以內(nèi).頻率偏差可通過適當(dāng)修調(diào)內(nèi)部電阻或通過外部電阻進(jìn)行減小.實測頻率CKt變化值約為2.54 MHz，溫度系數(shù)約為9.25×10-5/℃，頻率偏差約為±0.42%.對于存儲介質(zhì)的時鐘控制信號而言，RC振蕩器的頻率精度能夠滿足工作需要.

圖6為RC振蕩器輸出時鐘頻率溫度特性的仿真與測試曲線對比圖.圖6中，實際芯片測試得到頻率曲線夾在2條仿真曲線的中間，說明實際工藝參數(shù)處于最壞和最好情形之間，而且，曲線的斜率平緩，說明參數(shù)更加穩(wěn)定，精度更高.

3 芯片性能比較和版圖設(shè)計

不同文獻(xiàn)的振蕩器之間性能比較如表3所示.這些文獻(xiàn)中只有文獻(xiàn)[3]是實際芯片測試結(jié)果，其余都只是仿真結(jié)果，這些結(jié)果均采用低頻率下的振蕩器，而沒有超過20 MHz的高可靠RC振蕩器(時鐘源)設(shè)計.由表3可知，本文設(shè)計的RC振蕩器輸出頻率較大，達(dá)到了306 MHz左右，而且穩(wěn)定性在同一數(shù)量級.采用高頻時鐘源也可以產(chǎn)生等效的低頻時鐘，如果把本文306 MHz時鐘進(jìn)行30分頻，則可得到文獻(xiàn)[1]等效的10 MHz時鐘，時鐘精度可以達(dá)到±0.42%，高于文獻(xiàn)[1]時鐘精度.

表3 振蕩器性能比較的仿真數(shù)據(jù)

本文設(shè)計的RC振蕩器電路基于SMIC 0.13 μm邏輯CMOS工藝?yán)L制版圖，并集成于SD/MMC控制器芯片.振蕩器在SD/MMC控制器芯片中對應(yīng)的版圖如圖7所示.

圖7 振蕩器在SD/MMC控制器芯片中對應(yīng)的版圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種數(shù)字可調(diào)RC振蕩器，通過固件設(shè)計或焊接不同的外部電阻能夠調(diào)節(jié)振蕩器輸出頻率，以滿足應(yīng)用需要.本RC振蕩器已經(jīng)成功集成于SD/MMC控制器芯片中，初步實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用.

[1]SATO H, TAKAGI S. Frequency-to-voltage converter for temperature compensation of CMOS RC relaxation oscillator[C]// Circuits and Systems (APCCAS), 2014 IEEE Asia Pacific Conference on. Ishigaki: IEEE, 2014: 41-44.

[2]ZHANG J H, WANG B, PENG Y, et al. A 800nW high-accuracy RC oscillator with resistor calibration for RFID[C]// ASIC (ASICON), 2013 IEEE 10th International Conference on. Shenzhen: IEEE, 2013: 1-4.

[3]WANG B, KO M L, YAN Q. A high-accuracy CMOS on-chip RC oscillator[C]// Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2010 10th IEEE International Conference on. Shanghai: IEEE, 2010: 400-402.

[4]周小軍,李平,杜濤.一種高精度數(shù)字可調(diào)RC振蕩器設(shè)計[J].電子科技,2007(9):13-16.

[5]PAIDIMARRI A, GRIFFITH D, WANG A, et al. An RC Oscillator With Comparator Offset Cancellation[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2016, 51(8): 1866-1877.

[6]WANG J C, KOH L H, GOH W L. A 13.8-MHz RC oscillator with self-calibration for ±0.4% temperature stability from -55 to 125 ℃[C]// Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 2015 IEEE International Conference on. Singapore: IEEE, 2015: 423-426.

[7]BEHZAD R. Design of Analog CMOS and Integrated Circuits[M]. International Edition: McGraw-Hill, 2001:135-139.

Design of Digital-trim RC Oscillator which Used in SD/MMC Controller

LUO Jianjun1, FAN Xudong1, LIU Hailuan2

(1.Micro-electronicsResearchInstitute,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.SageMicroelectronicsCorporation,HangzhouZhejiang311215,China)

In this paper, a RC oscillator circuit is designed and used as a control clock of the SD/MMC controller. The RC oscillator is a relaxation oscillator using MOS capacitors and a 3-bit trimming resistor array as the trimming object. It also can use an external resistor to set the oscillator current. The SPICE simulation results show that the RC oscillator can meet the needs. The oscillator was fabricated in SMIC 0.13 μm logic CMOS process. Experimental results show that the oscillator operates at a typical frequency 306 MHz, and it had a frequency variation of only ±0.42% over the temperature range of -10 ℃ to 80 ℃. All performance satisfies the specification.

RC oscillator; SD/MMC controller; digital-trim

10.13954/j.cnki.hdu.2017.01.002

2016-09-18

浙江省固態(tài)存儲和數(shù)據(jù)安全關(guān)鍵技術(shù)重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊資助項目(2013TD03)；浙江省固態(tài)硬盤和數(shù)據(jù)安全技術(shù)重點實驗室資助項目(2015E10003)

駱建軍(1970-)，男，浙江諸暨人，教授，固態(tài)硬盤和數(shù)據(jù)安全.

TN75

A

1001-9146(2017)01-0006-05