一種減小數(shù)字時(shí)鐘延時(shí)單元溫漂的方法

涂波，趙曉靜，謝長(zhǎng)生

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072；2.無(wú)錫中微億芯有限公司，江蘇無(wú)錫214072）

一種減小數(shù)字時(shí)鐘延時(shí)單元溫漂的方法

涂波1，趙曉靜1，謝長(zhǎng)生2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072；2.無(wú)錫中微億芯有限公司，江蘇無(wú)錫214072）

介紹了一種減小數(shù)字時(shí)鐘延時(shí)單元溫漂的方法，利用一個(gè)具有正溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源Bandgap，產(chǎn)生參考電壓VREF；電壓緩沖器LDO接收參考電壓VREF并作用于延遲鏈；延遲鏈由延遲單元TAP串聯(lián)而成，用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘的相位延遲。通過(guò)調(diào)整Bandgap的正溫度系數(shù)，使LDO的輸出電壓隨溫度升高而升高，升高的電壓會(huì)使延遲單元TAP的延時(shí)減小，從而抵消延遲單元TAP由于溫度升高而增大的延時(shí)。

延時(shí)單元；溫漂；帶隙基準(zhǔn)；LDO

1 引言

在延遲鎖相環(huán)（DLL）中，需要使用延遲鏈對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行去歪斜、頻率合成以及相移。組成延遲鏈的基本單元是延時(shí)TAP，每個(gè)延時(shí)TAP的延時(shí)（tD）約為幾十皮秒。DLL的鎖定過(guò)程即調(diào)整TAP的個(gè)數(shù)，使目標(biāo)時(shí)鐘相位與基準(zhǔn)時(shí)鐘相位對(duì)齊[1]。DLL一旦鎖定就不再對(duì)時(shí)鐘相位進(jìn)行檢測(cè)。但是當(dāng)延遲TAP電源電壓穩(wěn)定不變、溫度升高時(shí)，TAP的延遲會(huì)增大。即DLL鎖定后，如果溫度升高，時(shí)鐘的相位關(guān)系將發(fā)生變化，然而DLL并不會(huì)重新鎖定。所以如果有一種設(shè)計(jì)方法能減小TAP的溫漂，就可以提高DLL的相移精度、減小數(shù)字時(shí)鐘的抖動(dòng)等。

本方法設(shè)計(jì)的目的是針對(duì)現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方案存在的不足，設(shè)計(jì)了一種能減小數(shù)字時(shí)鐘延時(shí)單元溫漂的方法。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了簡(jiǎn)化分析，以單端時(shí)鐘經(jīng)過(guò)一個(gè)反相器為例進(jìn)行延時(shí)分析。當(dāng)反相器的輸入電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電平也要隨之變化，由于CMOS結(jié)構(gòu)的原因，輸出節(jié)點(diǎn)存在著容性負(fù)載，即在輸出電平翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電容充放電，由此決定了反相器的上升和下降延時(shí)時(shí)間。下面對(duì)CMOS反相器的上升時(shí)間瞬態(tài)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

當(dāng)反相器輸出由低變高時(shí)，NMOS晶體管截止，PMOS開(kāi)始導(dǎo)通對(duì)輸出結(jié)點(diǎn)的負(fù)載電容CL充電，使輸出上升為高電平。圖1為分析上升時(shí)間的等效電路[2]。

圖1 反相器輸出高電平等效電路

在VOUT≤-VTP時(shí)，PMOS工作在飽和區(qū)，因此有：

τp為上升時(shí)間常數(shù)，當(dāng)VDD確定和管子工藝確定之后，τp為一個(gè)定值。對(duì)公式（2）積分得到飽和區(qū)充電時(shí)間：

其中u為上升的輸出電壓，當(dāng)VOUT＞-VTP以后，PMOS管進(jìn)入到線性區(qū)，根據(jù)線性區(qū)電流公式可以建立充電的微分方程：

由此可以得到PMOS管在非飽和區(qū)的充電時(shí)間：

總的上升過(guò)程包括飽和區(qū)充電與非飽和區(qū)充電兩段時(shí)間。根據(jù)公式（4）和公式（6）可以得到電壓上升到u所需的上升時(shí)間表達(dá)式。但以上是在假設(shè)VDD與負(fù)載電容一定這種特定情況下得到的t1與t2。既然特殊情況下得出了t1與t2的表達(dá)式，再考慮幾種一般情況：（1）假設(shè)PMOS管的工藝、尺寸大小已經(jīng)確定，不難發(fā)現(xiàn)t1與t2都與VDD成反比例關(guān)系，也就是說(shuō)t1與 t2隨著電壓的增大而減?。▽⒐剑?）帶入公式（4）和公式（6））；（2）假設(shè)VDD一定，發(fā)現(xiàn)t1與t2都與VTP成正比例關(guān)系（將歸一化電平帶入公式（4）和公式（6））。

1.3.1 體位固定與定位影像 對(duì)21例頭部腫瘤患者制作發(fā)泡膠個(gè)體化頭枕，再用面部開(kāi)口的熱塑面膜制作固定面罩。在Brilliance CT Big Bore CT模擬定位機(jī)上掃描采集影像，掃描條件：3 mm層厚、120 kV、400 mAs，進(jìn)行重建得到三維影像，制定治療計(jì)劃，獲得靶區(qū)定位影像、體表影像和治療參數(shù),并傳輸?shù)紼DGE直線加速器。

通過(guò)上面對(duì)反相器延時(shí)的分析，我們得出一個(gè)結(jié)論：反相器的延時(shí)隨電壓的增大而減小、隨溫度的升高而增大。如果我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)電壓隨溫度升高而升高，當(dāng)升高電壓產(chǎn)生的延時(shí)減小與升高溫度產(chǎn)生的延時(shí)增大相等時(shí)，那么這個(gè)系統(tǒng)的延時(shí)就不會(huì)隨溫度變化而變化。

經(jīng)過(guò)以上的論證，我們提出了新的設(shè)計(jì)方案，該方案的原理如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)原理圖

Bandgap、LDO為電源部分，DELAY_LINE為核心部分。其中Bandgap具有正溫度系數(shù)，輸出電壓VREF隨溫度升高而升高，LDO為電壓緩沖器，為DELAY_LINE提供內(nèi)部電源，還可以隔離外部電源的噪聲。

下面將從這兩部分詳細(xì)闡述其瞬態(tài)特性。DELAY_LINE由一連串的延時(shí)單元TAP構(gòu)成，起到延遲時(shí)鐘相位的作用。TAP采用差分結(jié)構(gòu)，該TAP的特征是：當(dāng)電壓不變、溫度升高時(shí)，TAP延時(shí)（tD）增大；當(dāng)溫度不變、電壓升高時(shí)，TAP延時(shí)（tD）減小。下面我們假設(shè)DELAY_LINE中TAP的延時(shí)可以表示為：

其中V是指LDO的輸出電壓VCCLDO，具有正溫度系數(shù)，可以表示為：

將公式（8）代入公式（7），該系統(tǒng)中TAP的延時(shí)可以表示為：

如果溫度變化為△T，那么延時(shí)變化量△tD可表示為：

為減小延時(shí)單元TAP的溫漂，△tD應(yīng)盡可能小，當(dāng)K1=-K2×K3時(shí)，公式（10）等于0，即延時(shí)單元TAP零溫漂。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)TAP的尺寸和工藝確定后，系數(shù)K1、K2也就確定了，這時(shí)只要調(diào)整系數(shù)K3，使K1=-K2×K3即可實(shí)現(xiàn)零溫漂。

本設(shè)計(jì)為了處理差分時(shí)鐘，延遲單元TAP采用差分結(jié)構(gòu)（其延時(shí)的溫度和電壓特性與單端反相器類似），通過(guò)仿真的方法求得系數(shù)K1和K2的近似值，再由系數(shù)K1和K2計(jì)算出系數(shù)，完成本設(shè)計(jì)。差分延遲單元TAP結(jié)構(gòu)[3]如圖3所示。

圖3 TAP設(shè)計(jì)電路圖

Bandgap的供電電源VCCAUX為2.5 V，輸出電壓VREF隨溫度的升高而增大，常溫下為1.5 V。該VREF為L(zhǎng)DO的參考電壓。該設(shè)計(jì)中的Bandgap原理圖[1]如圖4所示。

圖4 Bandgap原理圖

根據(jù)對(duì)圖4 Bandgap原理圖的分析，有VBE1-VBE2=VTlnn，得到流過(guò)右邊支路的電流為VTlnn/R3，因此VREF為：

整理得到：

Bandgap輸出VREF給LDO作為參考電壓，LDO可以有效抑制外部電源的噪聲并驅(qū)動(dòng)延遲鏈，其采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輸入電壓為VREF經(jīng)過(guò)分壓后的電壓，常溫下該LDO的輸出電壓為1.1 V。當(dāng)溫度變化時(shí)，LDO的輸出電壓隨VREF線性地變化，通過(guò)調(diào)整電阻R1和R2的比例，可以改變VCCLDO輸出電壓以及輸出電壓隨溫度變化的斜率，使其更好地匹配TAP的溫度系數(shù)。該設(shè)計(jì)中的LDO原理如圖5所示。

圖5 LDO原理圖

在圖5中，參考電壓VREF為具有正溫度系數(shù)的電壓（常溫下為1.5 V），經(jīng)R1與R2分壓后（1.1 V）給運(yùn)放的同相端（INP），該運(yùn)放的輸出端直接與輸入端相連，為一個(gè)電壓跟隨器，其驅(qū)動(dòng)電壓為VCCAUX（典型值為2.5 V）。因此，無(wú)論驅(qū)動(dòng)電壓VCCAUX在正常范圍內(nèi)變化多少，輸出電壓VCCLDO都被鉗位在運(yùn)放的同相端（INP）電壓值。

3 仿真驗(yàn)證

基于SMIC 40 nm工藝，建立整個(gè)仿真驗(yàn)證環(huán)境，利用Cadence公司仿真工具spctre設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。仿真模型版本為smic40ll_1125_2tm_oa_cds_1P10M_ 2012_10_11_v1.4，本仿真中的TAP電路原理如圖6所示。

圖6 仿真中的TAP電路原理圖

在圖6中，M5與M6為差分輸入對(duì)管，M1與M2分別為M5與M6的負(fù)載，M7為M1和M5或M2和M6提供偏置電流。其如圖6所示的連接方法形成了正反饋回路，加快了時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)速度。其中各個(gè)CMOS管的尺寸如下。

M1、M2：W/L=1.35 μm/100 nm；

M3、M4：W/L=200 nm/200 nm；

M5、M6：W/L=1.35 μm/40 nm；

M7：W/L=1.8 μm/40 nm。

TAP延時(shí)隨溫度變化如圖7所示（TT VCCLDO=1.1 V）。

圖7 溫度與延時(shí)曲線

圖8 電壓與延時(shí)曲線

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)VCCLDO電壓一定時(shí)，該尺寸的TAP的溫度特性為+75 fs/℃，即K1=+75 fs/℃，表示電壓一定時(shí)溫度每增加1℃，TAP延時(shí)增大75 fs。在圖8中，當(dāng)溫度恒定為27℃時(shí)，TAP的延時(shí)隨LDO電壓的升高而減小，為了測(cè)量更加準(zhǔn)確，將10個(gè)TAP串聯(lián)起來(lái)然后求平均值，即可得到每個(gè)TAP的變化率。由仿真圖可見(jiàn)，每個(gè)TAP的電壓特性為-0.119 fs/μV，即K2=-0.119 fs/μV，表示溫度一定時(shí)電壓每增大1 μV，TAP延時(shí)減小0.119 fs。至此，如果忽略溫度對(duì)TAP電壓特性的影響，即假設(shè)任意溫度下TAP的電壓特性均為-0.119 fs/μV，則可以設(shè)計(jì)一個(gè)正溫度系數(shù)的Bandgap，使其溫度系數(shù)K3=+630 μV/℃（75÷0.119= 630），這樣TAP就實(shí)現(xiàn)了零溫漂。但是，由于實(shí)際中TAP的電壓特性也會(huì)隨溫度的變化而變化，所以不可能實(shí)現(xiàn)TAP延時(shí)的零溫漂，但該方法可以使TAP的溫漂達(dá)到最小化。

下面開(kāi)始仿真調(diào)試Bandgap和LDO，本設(shè)計(jì)中Bandgap溫漂如圖9所示（TTcorner，VCCAUX=2.5V），LDO輸出溫漂如圖10所示（TT VCCAUX=2.5V）。

圖9 Bandgap電路電壓隨溫度曲線

圖10 LDO電路電壓隨溫度曲線

由圖9、圖10可見(jiàn)，Bandgap溫漂為+929.34μV/℃，LDO輸出電壓的溫漂系數(shù)為+754.94 μV/℃（溫漂為曲線的斜率）。

LDO本身基本沒(méi)有溫漂，由于Bandgap提供的參考電壓隨溫度變化，所以LDO的輸出也會(huì)隨溫度變化，由于參考電壓VREF經(jīng)電阻分壓后送給LDO，所以LDO輸出隨溫度變化曲線的斜率會(huì)變小，使其與TAP的溫度系數(shù)相匹配，最大程度地減小TAP延時(shí)的溫漂。

最后，我們將TAP和調(diào)試好的Bandgap和LDO進(jìn)行聯(lián)合仿真，觀察TAP的延時(shí)隨溫度變化的曲線。TAP延時(shí)隨溫度變化（抵消后）情況如圖11所示（TT VCCAUX=2.5 V）。

圖11 TAP延時(shí)隨溫度變化情況

由圖11可見(jiàn)，TAP的溫度特性約為+12 fs/℃，即電壓一定時(shí)溫度每增加1℃，TAP延時(shí)增大12 fs。相比較圖6中VCCLDO電壓不變時(shí)TAP的延時(shí)溫漂+75 fs/℃，本方法設(shè)計(jì)TAP延時(shí)的溫漂減小了（75-12）÷75=84%。

4 小結(jié)

本文介紹了一種減小數(shù)字時(shí)鐘延時(shí)單元延時(shí)溫漂的設(shè)計(jì)方法，主要應(yīng)用于數(shù)字時(shí)鐘管理領(lǐng)域，可以有效降低數(shù)字時(shí)鐘的抖動(dòng)，提高相移的精度等。通過(guò)仿真驗(yàn)證，延時(shí)單元TAP的延時(shí)溫漂減小了84%。

[1](美)畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

[2]甘學(xué)溫.數(shù)字CMOS VLSI分析與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1999.

[3]邱有剛，黃建國(guó).基于FPGA數(shù)字延遲單元的實(shí)現(xiàn)和比較[J].電子測(cè)量技術(shù)，2011,34.

[4]盧劍寒，張劍.一種RC延時(shí)電路的溫漂分析和補(bǔ)償[J].集成電路通訊，2012,4.

A Method of Reducing the Delay Temperature Drift for Digital Clock Delay-Cells

TU Bo1,ZHAO Xiaojing1,XIE Changsheng2
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.East Technologies,inc.Wuxi 214072,China）

In the paper,a design reducing the delay temperature drift of digital clock delay-cellis described, which includes a Bandgap reference voltage(VREF)generator having a positive temperature coefficient,a LDO whichreceivesthe VREFandpowerthe delayline.The delayline contains a series of delay-cells and used for shift the clock phase.By a positive temperature coefficient of Bandgap designed,the delay-cell power voltage will change same direction with temperature,which compensates the delay variation of delay-cell caused by the changedtemperature.

delay-cell;temperature drift;bandgap;LDO

TN402

：A

：1681-1070（2017）09-0028-04

2017-4-8

涂波（1985—），男，四川南充人，本科，工程師，研究方向?yàn)榍f(wàn)門級(jí)FPGA設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。