一種適用于超低功耗MCU的振蕩器設計

趙 海，謝興華，孫 洋

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

一種適用于超低功耗MCU的振蕩器設計

趙 海，謝興華，孫 洋

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

提出并設計了一種新型低速振蕩器，利用MCU電路內(nèi)部的主時鐘對低速時鐘進行測試并且自校準，在幾乎不增加功耗的前提下可以大大提高低速振蕩器的精度和穩(wěn)定性。與常規(guī)的低速振蕩器相比，該結(jié)構(gòu)具有功耗低、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。仿真結(jié)果表明，此電路結(jié)構(gòu)符合設計預期。

MCU；振蕩器；低功耗；高精度；高穩(wěn)定性

1 引言

當前已經(jīng)進入智能互聯(lián)時代，家庭中很多家電都采用了智能互聯(lián)技術(shù)，例如可以通過手機遙控的窗簾、可以用wifi實時控制的掃地機器人、可以預約并且反映溫度的燒水壺等等。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的蓬勃發(fā)展，這些領(lǐng)域的MCU市場也迎來了飛速的增長。但與此同時，MCU的性能也面臨更多的挑戰(zhàn)，尤其是要求電路功耗越來越低。對于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居這種消費類電子產(chǎn)品，超低功耗MCU的需求也越來越大。

在MCU電路中時鐘是非常重要的一部分，幾乎所有的MCU電路都會配備有主時鐘和副時鐘。在中高端MCU中，主時鐘一般采用高速振蕩器+帶隙基準的組合產(chǎn)生，穩(wěn)定性和精度都很好，可用于電路的正常工作模式。而副時鐘一般采用低速振蕩器產(chǎn)生，用于電路的省電模式和待機模式。

常規(guī)低速時鐘振蕩器按結(jié)構(gòu)劃分有RC振蕩器、環(huán)形振蕩器、晶體振蕩器等等[1]。表1列出了幾種常規(guī)振蕩器的特點。

表1 常規(guī)低速時鐘結(jié)構(gòu)對比

從表1的對比可以看出，外接晶振的晶體振蕩器優(yōu)點是頻率的溫度、電壓以及工藝穩(wěn)定性好，振蕩頻率精度高。缺點是功耗偏大、起振時間偏長，并且還需要外接元器件導致成本較高。

內(nèi)置RC振蕩器和內(nèi)置環(huán)形振蕩器，這兩種結(jié)構(gòu)采用的電阻電容都集成在片上，成本低、功耗低、起振速度快，但是頻率受電源電壓、溫度和工藝的影響較大，精度及穩(wěn)定性較差。為了提高精度及穩(wěn)定性，常規(guī)方法是采用帶隙基準提供偏置電流和偏置電壓，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性和精度，但是這就會導致低速時鐘工作時帶隙基準模塊也必須工作，增加了電路的整體功耗。綜上所述，對于常規(guī)的低速振蕩器，往往存在著功耗、穩(wěn)定性和精度相矛盾的情況。

為了兼顧低速振蕩器的成本、功耗、精度、穩(wěn)定性和起振速度，本文設計了一種高精度低功耗低速振蕩器，在幾乎不影響電路成本和功耗的基礎上，通過對低速時鐘的實時校準，大大增加了低速時鐘的穩(wěn)定性和精度。

2 高精度低功耗低速振蕩器

本文設計的高精度低功耗低速振蕩器的思路是設計一種頻率可調(diào)的低速振蕩器，并可以用主時鐘去實時監(jiān)控該低速振蕩器，系統(tǒng)得到測試值后對當前低速振蕩器頻率進行判斷和計算。當頻率測試值在規(guī)范內(nèi)時，則不對低速振蕩器進行校準。若頻率測試值超過規(guī)范，則對低速振蕩器的頻率進行校準，校準后再用主時鐘做一次頻率確認，若頻率沒有在規(guī)范內(nèi)，則繼續(xù)校準，直到測試值落在規(guī)范內(nèi)。當系統(tǒng)判斷測試值符合規(guī)范后結(jié)束頻率校準流程，同時頻率校準模塊輸出校準完成標志位。工作流程如圖1所示。

圖1 高精度低功耗低速振蕩器工作流程圖

2.1 電路功能模塊介紹

該高精度低功耗低速振蕩器包括可調(diào)頻低速振蕩器、頻率測試模塊和頻率校準三大模塊，圖2描述了三個模塊之間的關(guān)系。可調(diào)頻低速振蕩器輸出振蕩頻率FS，頻率測試模塊內(nèi)主時鐘FM對低速時鐘FS進行測試，測試輸出給頻率校準模塊，通過算法判斷測試值是否符合規(guī)范。若符合規(guī)范，則結(jié)束頻率校準流程，不對可調(diào)頻低速振蕩器進行操作。若不符合規(guī)范，頻率校準模塊根據(jù)算法計算得出校準值，然后輸出校準值給可調(diào)頻低速振蕩器。主時鐘FM再次對低速時鐘FS進行測試，繼續(xù)上述的流程，直到頻率校準模塊判斷測試值符合規(guī)范后結(jié)束流程，頻率測試模塊輸出校準完成標志位。

圖2 振蕩器總體功能模塊示意圖

2.2 可調(diào)頻低速振蕩器

可調(diào)頻低速振蕩器的作用是產(chǎn)生一個低頻的周期振蕩電壓信號，并且頻率可調(diào)。振蕩器的結(jié)構(gòu)只需要滿足頻率可調(diào)和低功耗這兩個要求就可以。本文出于頻率調(diào)節(jié)難易性和功耗的考慮，可調(diào)頻低速振蕩器采用RC振蕩器結(jié)構(gòu)。這里分成振蕩和調(diào)頻兩個部分來進行表述。

2.2.1 振蕩部分

振蕩部分的作用就是產(chǎn)生一個周期振蕩的電壓信號。

圖3 RC振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是基于RC振蕩器基本結(jié)構(gòu)設計而成[2]，可計算得到振蕩周期：

其中恒定偏置電壓Vbias和電流IROUTR都是由振蕩器調(diào)頻部分產(chǎn)生，電容C固定不變。

2.2.2 調(diào)頻部分

調(diào)頻部分的作用就是根據(jù)接收到的校準位控制信號來調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 調(diào)頻部分結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中P1和P2的W/L一致，N1由K個與N2相同尺寸的NMOS管并聯(lián)構(gòu)成。

N1和N2管柵端相連，可以得到：

代入計算可得：

忽略體效應，認為VTHN1=VTHN2可得

從計算結(jié)果可以看到，IROUTR是一個只和電阻RRXR有關(guān)的表達式。只需要對RRXR進行調(diào)整，就可以調(diào)整電流IROUTR的大小。

在圖4中標示的Trim就是校準位控制信號，通過對開關(guān)的控制，改變接入電路的電阻（R1、R2…Rn），達到改變RRXR的目的，從而改變電流IROUTR。只要按照精度要求，設計足夠的校準位來調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RX，就可以校準電流Iout到一個合適的值，使得振蕩頻率滿足精度要求。

以上是一種實現(xiàn)可調(diào)頻低速振蕩器的實例，其他同類設計只要滿足頻率可調(diào)和低功耗這兩個要求，均可選擇。

2.3 頻率測試模塊

頻率測試模塊的作用是采用精確的主時鐘FM對低速時鐘FS進行測試。并且將測試結(jié)果輸出給頻率校準模塊。

實現(xiàn)方法示例如圖5所示，采用一組計數(shù)器2對低速時鐘FS進行計數(shù)，設定溢出值為A，同時采用另一組計數(shù)器1對主時鐘FM進行計數(shù)。當FS計數(shù)計到A溢出時，對FM時鐘進行計數(shù)的計數(shù)器1此時計到的數(shù)值設為B。然后將B這個數(shù)值輸出給頻率校準模塊。

B這個數(shù)值代表了FS的頻率。由于計數(shù)器的實際時間一致，則：所以

TFS代表FS周期，TFM代表FM周期，實際應用中無需求出實際的頻率值，只要明確頻率與對應測試結(jié)果的對應關(guān)系即可。

圖5 頻率測試模塊示意圖

2.4 頻率校準模塊

頻率校準模塊的作用是判斷頻率測試模塊輸出的測試值是否符合規(guī)范。若符合規(guī)范，則結(jié)束頻率校準流程，并輸出校準完成標志位。若不符合規(guī)范，則通過硬件算法輸出合適的校準值給可調(diào)頻低速振蕩器，調(diào)整FS頻率。

實現(xiàn)方法舉例：頻率校準模塊的工作方式可以有多種，例如逐次逼近法、二分法等等。出于對電路復雜性和效率的考慮，這里采用了逐次逼近法。在接收到頻率測試模塊輸出的測試值B后，把B和內(nèi)部硬件預設的值作比較，若差值小于預設范圍，則輸出校準流程結(jié)束標志位，結(jié)束低速時鐘校準。若差值大于預設范圍，則通過硬件方法把B和預設值C進行比較，若B＜C，則輸出頻率校準信號，將可調(diào)頻低速振蕩器的頻率上調(diào)一個step，然后再執(zhí)行一遍頻率校準流程，若此時B仍偏小，則再將可調(diào)頻低速振蕩器的頻率上調(diào)一個step，直到B和C的差值小于預設范圍為止。（若第一次比較B＞C，則每次將可調(diào)頻低速振蕩器的頻率下調(diào)一個step，工作流程類似。）

2.5 模塊版圖實現(xiàn)

文中提到的可調(diào)頻低速振蕩器設計，采用CSMC 0.18μm 1P4M 3.3 V工藝，出于布圖方便的考慮，將此高精度低功耗低速振蕩器版圖實現(xiàn)分為兩個部分。

（1）模擬部分：可調(diào)頻低速振蕩器。如圖6所示，面積為150μm×70μm。

（2）數(shù)字部分：頻率測試模塊和頻率校準模塊，將這兩個模塊放在數(shù)字電路統(tǒng)一布線，如圖7所示，總面積為42μm×90μm。

我們采用此結(jié)構(gòu)流片的一款超低功耗MCU電路總面積為2250μm×2180μm，由上面數(shù)據(jù)可知頻率測試模塊和頻率校準模塊僅占總面積的0.077%。加入或者不加入頻率自校準功能，模塊的工作電流都約為1.22μA（電源電壓3.3 V，溫度25℃，工藝選擇TT，振蕩頻率為32.768 kHz），綜上所述，認為該高精度低功耗低速振蕩器相較于常規(guī)的內(nèi)置RC振蕩器結(jié)構(gòu)而言，不會影響MCU電路的成本和功耗。

3 仿真驗證

對不開啟低速振蕩器自校準功能及開啟低速時鐘自校準功能，分別進行了振蕩器在不同溫度、電壓、工藝角下的仿真驗證。

3.1 溫度特性仿真

仿真目的：驗證低速振蕩器在開啟自校準功能和不開啟自校準功能在不同溫度下的頻率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真軟件。

仿真條件：電源電壓保持3.3 V，工藝選取TT，選取-40℃、-20℃、0℃、25℃、45℃、65℃、85℃這 7個溫度，分別對低速振蕩器開啟和不開啟自校準功能進行仿真，記錄輸出頻率。

仿真結(jié)果如圖8所示，不開啟自校準功能時，低速振蕩器輸出頻率受溫度影響很大，變化范圍大約在±20%左右。開啟了自校準功能后，低速振蕩器輸出頻率受溫度影響很小，頻率偏差可以控制在±1%以內(nèi)。

3.2 工藝特性仿真

仿真目的：驗證低速振蕩器在開啟自校準功能和不開啟自校準功能在不同工藝角下的頻率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真軟件。

仿真條件：電源電壓保持3.3 V，溫度保持25℃，工藝選取TT、SS和FF三種，分別對低速振蕩器開啟和不開啟自校準功能進行仿真，記錄輸出頻率。

仿真結(jié)果如圖9所示，不開啟自校準功能時，低速振蕩器輸出頻率受工藝影響很大，變化范圍大約在±15%左右。開啟了自校準功能后，低速振蕩器輸出頻率受工藝影響很小，頻率偏差可以控制在±1%以內(nèi)。

3.3 電源電壓特性仿真

仿真目的：驗證低速振蕩器在開啟自校準功能和不開啟自校準功能在不同電源電壓下的頻率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真軟件。

仿真條件：溫度保持25℃，工藝選取TT，電源電壓選取1.8 V、2 V、2.4 V、2.8 V、3 V、3.2 V、3.4 V、3.6 V這8個值，分別對低速振蕩器開啟和不開啟自校準功能進行仿真，記錄輸出頻率。

仿真結(jié)果如圖10所示，不開啟自校準功能時，低速振蕩器輸出頻率受電源電壓影響很大，變化范圍大約在±10%左右。開啟了自校準功能后，低速振蕩器輸出頻率受電源電壓影響很小，頻率偏差可以控制在±1%以內(nèi)。

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，加入頻率校準功能后振蕩器輸出時鐘在全溫全壓和不同工藝條件下，頻率偏差范圍都可以控制在±1%以內(nèi)，極大地改善了設計指標。

圖6 可調(diào)頻低速振蕩器版圖

圖8 頻率受工作溫度的影響

圖9 頻率受工藝特性的影響

圖10 頻率受電源電壓的影響

4 結(jié)論

本文提出并設計了一種新型的低速振蕩器，包含可調(diào)頻低速振蕩器、頻率校準模塊和頻率測試模塊三個部分。在電路結(jié)構(gòu)上，該低速振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，采用的電阻電容全都集成在電路內(nèi)部，具有面積小和成本低的優(yōu)點。在電路性能上，該低速振蕩器結(jié)構(gòu)又具有功耗低、起振快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。仿真結(jié)果表明，此低速振蕩器的頻率精度、穩(wěn)定性和功耗符合設計要求。

采用此低速振蕩器結(jié)構(gòu)，可以在不增加功耗和成本的前提下，提高低速時鐘的精度和穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)在超低功耗MCU的設計中具有非常高的實用價值。

[1]Behzad Razavi[美].模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003:391-393.

[2]華成英,童詩白.模擬電子技術(shù)基礎（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006:437-440.

[3]李本俊,劉麗華.CMOS集成電路原理與設計[M].北京：北京郵電大學出版社，1997:26-27.

Design of an Oscillator for Ultra-Low Power MCU

ZHAO Hai,XIE Xinghua,SUN Yang
（Wuxi China Resources Semico Co.,LTD,Wuxi 214000,China）

The paper proposes a low-speed oscillator with a new structure.The low-speed oscillator uses the internal main-clock of the MCU to test and adjust itself.Although the structure can greatly improve precision and stability,it does not increase the power consumption.Compared to convention allow-speed oscillators,the new low-speed oscillator has many advantages such as high-precision,high-stability and low-power consumption.Simulation results show that it meets the expected specifications.

MCU;oscillator;low-power;high-precision;high-stability

TN402

A

1681-1070（2017）10-0017-04

2017-6-21

趙 海（1974—），男，江蘇江陰人，1997年畢業(yè)于浙江大學電子工程專業(yè)，現(xiàn)任無錫華潤矽科微電子有限公司研發(fā)總監(jiān)，高級工程師，多年來一直專注于集成電路的設計與開發(fā)，負責和參與的項目先后兩次獲得過江蘇省科技進步獎。