一種應(yīng)用于喚醒電路的高精度RC振蕩器

朱明旺，李天望,2

（1.湘潭大學(xué),湖南湘潭 411105；2.湖南國(guó)科微電子股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

1 引言

隨著通信技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)得到更廣泛的應(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)中使用很多傳感器電路來檢測(cè)環(huán)境信息，這些電路僅在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)處在工作狀態(tài)，并且工作狀態(tài)僅在整個(gè)時(shí)鐘周期中占很小部分，其他時(shí)候則會(huì)處在休眠狀態(tài)以降低電路功耗[1,2]。振蕩器電路可以產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，通過配合計(jì)時(shí)器產(chǎn)生喚醒信號(hào)完成對(duì)后續(xù)電路的控制，如何保證處在休眠狀態(tài)的電路精確喚醒對(duì)時(shí)鐘源的精度提出了很高的要求。一般來說，對(duì)頻率精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)使用晶體振蕩器，但晶體振蕩器不能在芯片內(nèi)部集成，因而增加了電路系統(tǒng)面積和成本，并且具有功耗較大、不利于低功耗設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，盡管國(guó)外也有研究人員設(shè)計(jì)出了具有較低功耗或者較高精度的RC振蕩器[3-6]。

本文設(shè)計(jì)了一種在較寬溫度范圍內(nèi)都具有較好頻率穩(wěn)定性的RC振蕩器，在-40～40℃的溫度范圍內(nèi)相對(duì)頻率變化約為±0.62‰，能夠適應(yīng)國(guó)內(nèi)各地區(qū)的應(yīng)用環(huán)境。

2 電路結(jié)構(gòu)和基本原理

該RC振蕩器核心電路由RC網(wǎng)絡(luò)和兩組反相器構(gòu)成，兩組反相器分別采用三級(jí)和五級(jí)結(jié)構(gòu)以獲得更大增益，中間由耦合電容C隔開，電阻R跨接在五級(jí)反相器首尾端，局部電壓調(diào)整電路由一個(gè)NMOS電壓跟隨器和PTAT基準(zhǔn)電流源提供偏置的快速翻轉(zhuǎn)復(fù)制反相器構(gòu)成[7-9]，該電路為振蕩器核心電路供電。本文提出的RC振蕩器原理圖如圖1所示。

圖1 RC振蕩器原理圖

2.1 PTAT基準(zhǔn)電流源

傳統(tǒng)的PTAT電流源一般采用Beta乘積電流源結(jié)構(gòu)[10,11]，如圖2(a)所示，在此電流源的基礎(chǔ)上將NMOS器件換成PMOS器件，就變成了PMOS共源共柵電流鏡，如圖2（b）所示。PMOS共源共柵電流鏡環(huán)路由MP1、MP2、MP3、MP4和R組成，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律（KVL）可得：

對(duì)MP2、MP4和VDD組成的環(huán)路再次利用基爾霍夫電壓定律（KVL）得：

聯(lián)立（1）式（2）式可得：

圖（2）(b)中所有管子處在飽和區(qū)，利用飽和區(qū)電流表達(dá)式（忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)）[12]，結(jié)合（2）式和（3）式可得：

式中Cox為單位面積柵氧電容，W/L為MOS管寬長(zhǎng)比，γ=(W/L)2-1/2+(W/L)3-1/2,VTp>0。假設(shè) μp、VTp和R僅受溫度影響，對(duì)（4）式求溫度T的導(dǎo)數(shù)得：

式中 Kx=(1/x)·(d x/d T)，（5）式中有 d I/d T，定義 KIref=（1/Iref）·（d Iref/d T）為基準(zhǔn)電流源輸出電流的溫度系數(shù)。

為了使電流源產(chǎn)生正溫度系數(shù)的電流，KIref應(yīng)滿足：KIref>0。對(duì)（6）式分析可知，分母為負(fù)數(shù)；分子中，第一項(xiàng)中Kμp為負(fù)，KVTp為負(fù)，因此第一項(xiàng)為負(fù)，第二項(xiàng)中為負(fù)，且|Kμp|通常大于|KR|，第三項(xiàng)始終為正。第一項(xiàng)和第二項(xiàng)和的絕對(duì)值大于第三項(xiàng)即可保證分子為負(fù)，如此即可得到正溫度系數(shù)的輸出電流。

為了盡可能減小芯片面積，本文采用NMOS管替代電阻 R，如圖 2（c）所示。

圖2 傳統(tǒng)PTAT基準(zhǔn)電流源和本文提出的PTAT基準(zhǔn)電流源

2.2 局部電壓調(diào)整電路

圖3 局部電壓調(diào)整電路

局部電壓調(diào)整電路由NMOS管MN2、MN3和PMOS管MP6構(gòu)成，PTAT基準(zhǔn)電流源為電路提供偏置，如圖3所示。振蕩器核心電路通過MN2獲得偏置電壓，在振蕩器核心電路產(chǎn)生局部調(diào)整電壓VDDLocal，同時(shí)限制振蕩器電流，如果采用低壓器件振蕩器核心電路可以偏置在弱反型區(qū)，可以極大地降低電路功耗，符合低功耗設(shè)計(jì)要求。此外，振蕩器核心電路連接MN3源極電壓VDDLocal，而非電源電壓VDD，當(dāng)電源電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，振蕩器核心電路工作電壓具有較好的穩(wěn)定性，降低了電源的線性。通過合理設(shè)置PTAT管子和MN2、MP6的寬長(zhǎng)比，可使MN2和MP6工作在亞閾值區(qū)（弱反型區(qū)）。當(dāng)MOSFET工作在亞閾值區(qū)時(shí)，VGS≈VTH[12]。

對(duì)于MN2有：

對(duì)于MP6有：

由（7）、（8）式得：

由（9）式可知，VDDLocal跟隨MN2和MP6的閾值電壓，閾值電壓是絕對(duì)溫度T的函數(shù)而與電源電壓無(wú)關(guān)，這降低了電源電壓波動(dòng)對(duì)振蕩器核心電路的影響。同時(shí)，當(dāng)VDDLocal跟隨閾值電壓時(shí)，反相器的延遲幾乎不受溫度變化影響。

2.3 振蕩器核心電路

振蕩器時(shí)鐘周期由RC單元延時(shí)t0和反相器通過各級(jí)延時(shí)tINV兩部分組成，定義反相器相對(duì)翻轉(zhuǎn)電壓點(diǎn)KSW=VSW/VDDLocal，其中VSW為反相器翻轉(zhuǎn)電壓。RC結(jié)點(diǎn)電壓擺幅在（KSW+1）VDDLocal到（KSW-1）VDDLocal之間，如圖6所示，RC單元延時(shí)為：

當(dāng) KSW=0.5時(shí)，時(shí)鐘周期占空比為 50%，t0=ln（9）·RC≈2.2RC，此時(shí)振蕩器頻率對(duì)KSW具有最小的敏感性。

由于振蕩器時(shí)鐘周期t=t0+tINV，反相器的延遲時(shí)間如何受溫度和電源電壓變化的影響對(duì)于振蕩器頻率穩(wěn)定性的研究具有重要意義。反相器延遲時(shí)間模型有很多，其中適用于短溝道器件較為完善的分析模型是α 次冪 MOS模型（alpha-power law MOSmodel）[13]。由反相器延遲模型可知：

式中，tpHL、tpLH分別表示反相器高電平下降到低電平的延遲和低電平上升到高電平的延遲，CL為負(fù)載電容，ID為VDS=VGS=VDD時(shí)的電流值，（11）式第一項(xiàng)表示輸入信號(hào)斜率對(duì)反相器延遲的影響。在短溝道器件中，vT=0.2 α=1，（11）式可表示為：

對(duì)于本設(shè)計(jì)反相器加電壓VDDLocal，VDDLocal跟隨兩個(gè)MOS管的閾值電壓。在輸入信號(hào)斜率恒定的情況下，-40～80℃的溫度范圍內(nèi)第二項(xiàng)僅產(chǎn)生幾納秒的波動(dòng)，可以認(rèn)為反相器的延遲保持恒定。

3 電路仿真

本設(shè)計(jì)采用NEX chip 0.15μm CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源電壓3.3 V，通過理論分析確定各器件參數(shù)，使用Cadence公司的Spectre仿真器進(jìn)行仿真。在-40～80℃溫度范圍進(jìn)行掃描，PTAT基準(zhǔn)電流源的電流隨溫度線性增大，室溫（27℃）時(shí)電流為422 nA，PTAT基準(zhǔn)電流源輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 PTAT基準(zhǔn)電流源輸出電流

在電源電壓3.3 V的條件下，利用Cadence軟件中“Parametric Analysis”工具在-40～80℃的溫度范圍內(nèi)選取10個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)振蕩器中反相器各結(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行分析。

對(duì)振蕩器核心電路中反相器各點(diǎn)進(jìn)行瞬態(tài)分析，由于該振蕩器工作頻率較低，RC結(jié)點(diǎn)處具有較小的轉(zhuǎn)換速率，因此第一級(jí)反相器對(duì)整個(gè)振蕩器時(shí)鐘周期變化產(chǎn)生較大影響，為了盡可能降低第一級(jí)反相器噪聲對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響，第一級(jí)反相器結(jié)點(diǎn)電壓應(yīng)具有較大擺幅，本設(shè)計(jì)中RC結(jié)點(diǎn)輸出電壓擺幅約為2VDDLocal。RC結(jié)點(diǎn)在10個(gè)溫度點(diǎn)下輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)如圖5所示，可以看到RC單元充放電產(chǎn)生的斜坡。

振蕩器輸出電壓變化溫度掃描結(jié)果如圖6所示，從上自下依次是Vi1～Vi8的電壓幅值，從圖中可以看到在恒定電源電壓、不同溫度條件下振蕩器輸出僅在幅值上發(fā)生縱向變化，而在橫向上幾乎沒有相位差，高度重合。我們知道，縱向上不同溫度條件下電壓變化是由于局部電源電壓VDDLocal隨溫度波動(dòng)引起的，而橫向反映了頻率隨溫度的波動(dòng)很小，說明振蕩器能夠在較大的溫度范圍內(nèi)具有較好的頻率穩(wěn)定性。

圖5 RC結(jié)點(diǎn)電壓的瞬態(tài)響應(yīng)

圖6 振蕩器各溫度的結(jié)點(diǎn)電壓

從表1可知，室溫下振蕩器輸出頻率33.769 kHz，相對(duì)頻率變化在（-0.049%，0.353%）之間，在-40～40℃溫度范圍內(nèi)，相對(duì)頻率變化在±0.62‰。通過與其他文獻(xiàn)的對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)不僅在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的精度，而且低溫范圍可達(dá)到-40℃，可以滿足包括東北地區(qū)在內(nèi)的我國(guó)各地區(qū)不同環(huán)境溫度的應(yīng)用要求。

表1 本文提出的振蕩器指標(biāo)與其他文獻(xiàn)的對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于喚醒電路的高精度RC振蕩器，電路設(shè)計(jì)了一種全新的PTAT基準(zhǔn)電流源提供偏置，局部電壓調(diào)整電路使振蕩器核心電路偏置電壓VDDLocal能夠動(dòng)態(tài)跟隨MOS管閾值電壓，使反相器延遲不受溫度影響，同時(shí)可以降低電源電壓VDD波動(dòng)對(duì)振蕩器核心電路的影響，降低了電源線性。通過仿真驗(yàn)證表明，該振蕩器在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的頻率穩(wěn)定性。