一種帶有自動校準機制的超低功耗RC振蕩器設(shè)計

鐘翔宇 ，沈婧雯 ，王 寧 ，陳運生 ，李彥武

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司信息通信公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410002；3.國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京100761）

隨著電子科技水平的高速發(fā)展，集成電路芯片已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、金融、消費等各個領(lǐng)域。各類電子產(chǎn)品，比如手機、手持娛樂設(shè)備等，對于性能和功耗的要求越來越高，運算速度、運行功耗、設(shè)備續(xù)航時間指標等已經(jīng)成為電子產(chǎn)品的核心考量要素。因此高性能集成電路芯片，特別是超高速、超低壓、低功耗的集成電路芯片己經(jīng)成為電路領(lǐng)域的研究熱點。振蕩器作為電路系統(tǒng)中一種非?；?，同時十分重要的電路，也在朝著高速、低功耗的方向發(fā)展[1-6]。

振蕩器通常在通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。一般而言，振蕩電路主要有LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路和RC振蕩電路等幾種。LC振蕩器特點是起振速度快，增益大，功耗高，一般應(yīng)用于GHz甚至10 GHz等高頻場合。晶體振蕩器穩(wěn)定度高，選頻效果好，體積小，因此廣泛作為時鐘參考源，提供低頻基準信號。RC振蕩器特點是工作頻率較低，功耗低，易于片內(nèi)集成，缺點是頻率穩(wěn)定度較差，頻率波動范圍大。因此，目前RC振蕩器主要廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路芯片時鐘信號的產(chǎn)生[5-8]。

1 傳統(tǒng)RC振蕩器

如圖1所示為傳統(tǒng)RC振蕩器電路圖。輸入?yún)⒖茧妷篤ref經(jīng)過運算放大器后，將電阻R上的電壓固定，產(chǎn)生一個恒定的電流源Iref。通過鏡像電路后，該電流源在后端比較器輸出信號CLK的控制下對電容進行充放電。初始狀態(tài)時，電容兩端電壓為0，此時CLK開關(guān)閉合，后端比較器接入高電平VH，電流源對電容進行充電。當(dāng)電容兩端電壓逐漸升高超過VH時，比較器輸出低電平，此時------CLK打開，比較器輸入VL，電容開始對地進行放電。當(dāng)電容放電電壓低于VL時，比較器輸出高電平，即CLK變?yōu)楦唠娖?，又開始對電容進行充電操作。如此周而復(fù)始，形成振蕩，電容兩端產(chǎn)生三角波信號，同時比較器輸出一個方波時鐘信號CLK[10-12]。

圖1 傳統(tǒng)RC振蕩器

傳統(tǒng)的RC振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，易于片內(nèi)實現(xiàn)，但是輸出時鐘信號頻率精確度容易受電壓波動，溫度偏差，以及工藝偏差的影響，難以保持一定的頻率精度。因此，很多設(shè)計者采用電流修調(diào)電路，或者對稱設(shè)計等方式來補償溫度和工藝偏差[12-14]。

2 帶自動校準的超低功耗RC振蕩器設(shè)計

本次設(shè)計的振蕩電路由4個部分組成，分別為：啟動模塊，參考電流產(chǎn)生模塊，充放電模塊和自動校準模塊。電容陣列和電阻陣列由自動校準電路模塊輸出控制，通過調(diào)節(jié)陣列控制數(shù)值，實現(xiàn)精準的頻率輸出。為了盡可能的降低電流消耗，可以通過合理的參數(shù)設(shè)計，讓電流源產(chǎn)生模塊中MOS管都工作在弱反型或亞閾值區(qū)域，達到降低功耗的目的。當(dāng)MOS管上的Vgs接近其閾值電壓Vth時，MOS管工作在弱反型區(qū)（或亞閾值區(qū)），在結(jié)構(gòu)上類似于兩個背靠背的二極管相連。這樣我們分析時，可將其看成橫向的BJT的結(jié)構(gòu)，不過與一般的BJT不同的是，這里的漏極電壓是柵電壓在柵電容和耗盡層電容之間的分壓。可以得到亞閾值區(qū)時的電流方程：

從該式中可以看到，當(dāng)VDS>3VT時，括號里面的值近似等于1，這樣VDS的變化基本不會對IdS造成影響，MOS管此時的工作狀態(tài)和飽和區(qū)狀態(tài)一樣，可以將其當(dāng)成穩(wěn)定的電流源。同時MOS在亞閾值狀態(tài)下工作時，是沒有導(dǎo)電溝道的，通過的電流很小，從而達到降低整個芯片功耗的目的。

圖2 超低功耗RC振蕩器電路圖

圖2所示為本次設(shè)計的超低功耗RC振蕩器電路圖。啟動電路由M1、M2、M3、M4和M22構(gòu)成。啟動電路阻止所有的自偏置電路工作在零偏置點附近，在電路上電后立即開始工作，向需要啟動的電路注入電流，破壞電路的簡并點，使之處在正確的工作狀態(tài)，保證電路能夠正常起振。

M5～M11構(gòu)成電流源電路，電流通過鏡像電路饋送到電容支路，對電容進行充電，引起M15的柵極電壓變化。如圖3所示，當(dāng)電路剛開始啟動時，電容兩端電壓為0，M15柵極電壓為0，此時M14導(dǎo)通，電流通過M14對電容進行充電。隨著電容電壓Vc的升高，M15柵極電壓逐漸上升，當(dāng)VC>Vth時，M15開始導(dǎo)通，M14關(guān)閉，電容又開始對地進行放電。直至電容電壓VC低于 M15閾值電壓Vth后，VC＜Vth，M14又重新打開，電流I5重新開始對電容進行充電。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩信號[15-18]。

電容的電壓變化量可以表示如下：

其中，電流可由下式計算得出：

將（3）帶入（2）得：

由此，可得到輸出振蕩頻率為：

可以看到，參考電壓的波動，溫度和工藝的差異會對輸出頻率產(chǎn)生很大的影響，難以維控制輸出頻率精度。因此，本文采用自動校準機制來調(diào)節(jié)電容電阻陣列，實現(xiàn)穩(wěn)定準確的頻率輸出。

圖3 電容充放電波形圖

3 自動校準機制原理

如圖4所示，自動校準電路內(nèi)部包括計數(shù)器、比較器、編碼器等電路模塊。自動校準的基本原理就是通過比較38.4 MHz和晶振輸出頻率，改變輸出電容、電阻陣列的值，來達到頻率校準的目的。計數(shù)器的作用就是在一個振蕩器輸出周期內(nèi)記錄下晶振信號的周期個數(shù)，晶振信號每輸出一個上升沿就加1。每一個32 kHz周期內(nèi)，應(yīng)該會有1 200個晶振信號，即：38.4 MHz/32 kHz=1 200。因此計數(shù)器的參考值為1 200，當(dāng)計數(shù)器計數(shù)為1 200時，編碼器將此時的電容、電阻陣列輸出保存至振蕩器電路中，校準完成，晶振電路和校準電路也隨之關(guān)閉。

如圖5所示為自動頻率校準流程:首先隨著RC振蕩信號和參考晶振信號的輸入，計數(shù)器開始工作，在一個RC振蕩周期內(nèi)記下數(shù)值N。

1）粗調(diào)第一階段：

①當(dāng)1 100＜N＜1 150時，增加電阻陣列的數(shù)值來降低RC振蕩器輸出頻率，同理：

②當(dāng)1 250＜N＜1 300時，減小電路陣列數(shù)值來提高振蕩器輸出頻率。

2）粗調(diào)第二階段：

當(dāng)1 150＜N＜1 250時，通過調(diào)節(jié)電阻陣列數(shù)值，來快速改變輸出頻率，達到1 180＜N＜1 220。至此，粗調(diào)完成，進入細調(diào)階段。

3）細調(diào)階段，通過逐一掃描6比特的電容陣列數(shù)值，使得計數(shù)1 198＜N＜1 202，實現(xiàn)準確的頻率輸出。校準過程至此完畢，關(guān)閉校準電路和晶振模塊，最終頻率誤差控制在1%以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖4 自動校準模塊示意圖

4 仿真結(jié)果分析

本文采用TSMC 180nm工藝設(shè)計了一種超低功耗、帶有自動校準模塊的32 kHz RC振蕩器，通過Cadence Spectre對電路進行了仿真。

在1.8 V供電電壓下，總電流消耗為0.15 μA。經(jīng)過設(shè)置各種仿真條件進行后仿真（ff、tt、ss 3種Corner，溫度從-40～85℃，電壓從1.5～2.1 V），最終仿真結(jié)果如下：如圖6所示為振蕩器起振穩(wěn)定時間小200 μs。如圖7所示，振蕩器最終輸出頻率能夠穩(wěn)定在32 kHz。如圖8所示為輸出頻率功率譜密度。目前正在等待流片回來，將進一步完成流片結(jié)果測試。

圖5 自動校準流程圖

圖6 RC振蕩器輸出波形圖

圖7 RC振蕩器輸出頻率

圖8 RC振蕩器輸出頻率功率譜密度圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種超低功耗、高精度、帶有自動校準機制的RC振蕩器電路。通過自動校準電路補償了溫度差異、工藝偏差、電壓波動對于振蕩器輸出頻率的影響。最終仿真結(jié)果表明電路總電流消耗為0.15 μA，能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定輸出32 kHz振蕩信號。本次設(shè)計的振蕩電路滿足超功耗條件下的應(yīng)用需求。芯片測試結(jié)果需等待流片回來作進一步完善。

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