一种低温漂张弛振荡器设计_危林峰.pdf

=DOI:1013290/jcnkibdtjs202301005January2023Semiconductor Technology Vol48 No131一种低温漂张弛振荡器设计危林峰1，2，李文昌1，2，*，尹韬1，2，刘剑1，2，张天一1(1 中国科学院 半导体研究所，北京100083;2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京100049)摘要:针对传统张弛振荡器输出频率的稳定性易受温度影响的问题，设计了一种结构简单的低温漂张弛振荡器。将 MOS 管的阈值电压作为参考比较电压，无需考虑比较器偏移电压的影响，偏置电流电路提供与阈值电压有关的电容充电电流，可以抵消参考比较电压温度系数对振荡器输出频率的影响，最终使其对温度的稳定性只受电阻温漂的影响。设计中电阻采用相反温度系数的串/并联复合的拓扑结构，能有效降低电阻温漂对输出频率温度稳定性的影响。该振荡器采用0.35 mBCD 工艺实现，已集成应用于一款温度传感芯片，振荡器单元尺寸为 0.25 mm0.3 mm，电源电压为 3.3 V，功耗约为 15 W。测试结果表明，当电源电压在 33.6 V 变化时，输出频率变化小于0.34%;当温度从55 变化到 125 时，输出频率的温度系数为 83.6106/。关键词:张弛振荡器;低温漂;并/串联复合电阻;阈值电压;比较器中图分类号:TN43;TN753.8文献标识码:A文章编号:1003353X(2023)01003106Design of a Low Temperature Drift elaxation OscillatorWei Linfeng1，2，Li Wenchang1，2，*，Yin Tao1，2，Liu Jian1，2，Zhang Tianyi1(1 Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China;2 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract:Aiming at the problem that the output frequency stability of the traditional relaxationoscillator was easily affected by temperature，a low temperature drift relaxation oscillator with a simple struc-ture was designed The threshold voltage of the MOS transistor was used as the reference comparison voltage，without considering the influence of the comparator offset voltage The bias current circuit provides a capacitorcharging current related to the threshold voltage，which can eliminate the influence of the temperature co-efficient of the reference comparison voltage on the oscillator output frequency，and finally make thestability of the temperature be only affected by the temperature drift of the resistance The resistor topologyof series/parallel combination with opposite temperature coefficients was adopted in the design，which caneffectively reduce the influence of the temperature drift of the resistors on the temperature stability of theoutput frequency The oscillator was realized by using 0.35 m BCD process and had been integrated into atemperature sensing chip The size of the oscillator unit is 0.25 mm0.3 mm The supply voltage is3.3 V，and the power consumption is about 15 W The test results show that when the power supplyvoltage changes from 3 V to 3.6 V，the output frequency changes less than 0.34%When the temperaturechanges from 55 to 125，the temperature coefficient of the output frequency is 83.6 106/Keywords:relaxationoscillator;lowtemperaturedrift;parallel/seriescompositeresistor;threshold voltage;comparator基金项目:国家自然科学基金资助项目(61974146)EEACC:2570A;1230B危林峰等:一种低温漂张弛振荡器设计=32半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月0引言芯片上稳定的时钟发生器是许多现代电子系统的关键模块，如生物医学仪器、手持多媒体设备、物联网设备和无线传感器网络等。稳定的频率参考对于许多混合信号电路是必要的，如微处理器的时钟、数据转换器、开关电源和基于开关电容用于非易失性存储器的 DC-DC 高压发生器等。晶体振荡器可以为上述应用提供 kHzMHz 范围的高精度频率参考，但代价是牺牲更大的物理尺寸1。与晶体振荡器相比，张弛振荡器在功率和面积方面提供了更好的权衡，具有明显的成本优势，但是张弛振荡器输出频率的稳定性易受工艺、温度和电源电压变化等因素影响2，如何减小这些影响一直是研究的热点与难点14。为了减小温度对张弛振荡器输出频率稳定性的影响，研究人员提出了多种解决方案。2019 年，S Y Lu 等人5 采用自阈值跟踪回路减小温度对频率稳定性的影响，优化了设计功耗，但输出频率的温度稳定性仍有提升空间;2020 年，W Zhou等人6 提出了一种开关电容 C 网络，采用具有复制偏置的基于反相器的比较器，降低了张弛振荡器输出频率的电源灵敏度，同时实现了较低的温度灵敏度，但消耗的面积较大;2021 年，Y Z Ma 等人7 提出了一种无比较器的张弛振荡器结构，无需参考电压，采用与温度近似无关的电流源实现较好的温度稳定性，但设计功耗和面积增大，且对输出频率的温度稳定性提升有限。针对上述问题，本文采用 0.35 m BCD 工艺设计实现了一种结构简单的低温漂张弛振荡器。将MOS 管的阈值电压 Vth作为参考比较电压，偏置电流电路提供与阈值电压有关的电容充电电流，可以抵消参考比较电压温度系数对频率的影响，使张弛振荡器的输出频率主要决定于电阻的温度系数，再采用串/并联复合的拓扑结构有效降低电阻温漂的影响。本设计可以在实现较低的温度灵敏度的同时保持较小的设计面积与功耗。1电路结构与原理分析1.1传统张弛振荡器图 18 为传统张弛振荡器的基本结构，主要由比较器、S 触发器和电容充放电回路构成，其中参考电压VEF和参考电流IEF由基准电压和基准电流模块产生，图中:VDD为电源电压;1和 2为反相的输出时钟。其工作原理是由输出控制电容周期性充放电，再与比较器输入参考电压进行比较，从而周期性改变 S 触发器的输出状态，实现振荡输出。图 1传统张弛振荡器结构示意图8 Fig.1Structure schematic diagram of the traditional relax-ation oscillator8 振荡周期 T 可表示为9 T=2CIEF(VEF+VOFF1+VOFF22)(1)式中:VOFF1与 VOFF2分别为两个比较器的输入参考偏移电压;电容 C1=C2=C。由式(1)可知，一共有 3 个因素限制了振荡器输出频率对温度的稳定性:电容的温度依赖性会直接导致振荡周期 T 随温度变化，可以采用金属绝缘体金属(MIM)结构的电容，其电容值随温度变化波动可以忽略，从而减小这种变化10;参考电压和参考电流的温度系数，需设计具有温度补偿的基准电压与基准电流模块，但会导致设计面积与功耗的增大;VOFF1与 VOFF2虽然可以用修调来抵消静态偏移电压的影响，但它不能解决 VOFF1与 VOFF2由温度引起的动态变化，另一方面，增加参考电流可以减小 VOFF1与 VOFF2的影响，但这种方法受到功耗和可用电压摆幅的限制2。平均电压反馈11、斩波12 和偏移抵消13 结构可以有效减小偏移电压的影响，但需要额外的面积与功耗开销。因此，为了保持较小的设计面积与功耗，同时提高振荡器输出频率对温度的稳定性，需设计一种更简单的结构。1.2本文提出的振荡器结构为了解决传统张弛振荡器输出频率的稳定性易受温度影响的问题，本文设计了一种结构简单的低温漂张弛振荡器，结构如图 2 所示，主要由电容充危林峰等:一种低温漂张弛振荡器设计=January2023Semiconductor Technology Vol48 No133放电回路和比较器构成，图中 Mn1和 Mn2为 NMOS管。此结构采用 MOS 管阈值电压作为参考比较电压，充电电流 Icharge由偏置电流模块产生且与阈值电压相关，可以抵消参考比较电压温度系数对频率的影响，使张弛振荡器的输出频率主要取决于电阻的温度系数，最后通过调整电阻的温度系数使振荡器的输出频率具有较低的温度系数。图 2本文提出的张弛振荡器结构Fig.2Structure of the relaxation oscillator proposed in this paper本文提出的张弛振荡器结构通过对电容充放电来进行工作，具体工作原理如下:假设初始状态1为高电平，2为低电平，C1被开关短路，两端电压为零，Mn1处于关断状态，比较器 COMP 正输入端为高电平;C2充放电回路接入，充电电流对C2进行充电，当 C2两端电压增加到 Mn2阈值电压时，Mn2导通，比较器 COMP 负输入端为低电平，由此比较器输出 1和 2的状态发生改变，1变为低电平，2变为高电平。随后，C1充放电回路接入，充电电流对 C1进行充电，当 C1两端电压增加到 Mn1阈值电压时，Mn1导通，比较器 COMP 正输入端为低电平;C2被开关短路，两端电压为零，C2充放电回路断开，Mn2处于关断状态，比较器COMP 负输入端为高电平，比较器输出 1变为高电平，2变为低电平，振荡器完成一个振荡周期。电路的振荡波形以及 C1和 C2上的电压波形如图 3所示。图 3振荡器的工作波形Fig.3Operating waveforms of the oscillator假设 C2开始充、放电的时刻分别为 t1和 t2，C2的充电时间为 tcharge2，C1=C2=C，由电容充放电公式可得tcharge2=t2 t1=CVthIcharge(2)由于两个电容的充放电回路是一样的，C1的充电时间 tcharge1与 tcharge2相等，故振荡器的周期(TOSC)为TOSC=tcharge2+tcharge1=2CVthIcharge(3)则振荡频率(fOSC)为fOSC=1TOSC=Icharge2CVth(4)由式(4)可知，振荡器输出频率会受电阻、阈值电压与电容的温漂影响，而本文电路采用 0.35 m BCD 工艺设计，工艺包含 MIM结构的电容，其容值随温度变化波动可以忽略。若 Icharge与 Vth相关，则可抵消 Vth对温漂的影响，其偏置电流模块可产生 Vth/2 大小的充电电流，最后使振荡器输出频率对温度的稳定性只受电阻温漂的影响，可通过调整电阻的温度系数来降低温度对输出频率的影响。相比传统张弛振荡器，本设计采用单比较器结构，由于以 MOS 管阈值电压作为参考比较电压，不需要考虑比较器偏移电压的影响，无需额外的温度补偿结构以及偏移抵消结构，可以保持较小的设计面积与功耗。2电路实现2.1偏置电流电路本文提出的张弛振荡器结构如图 4 所示，自启动电路由 PMOS 管 Mp1、Mp2和 Mp3组成，其宽长比相同。电路启动时，Mp1和 Mp2导通，电流镜复制电流与偏置电流相等，即 I1=Ibias，Mn4栅极电位上升使其导通，然后 Mn3栅极电位上升使其导通，拉低 Mn4栅极电位，Mn3和 Mn4构成负反馈回路，当其工作稳定后，Mn3和 Mn4工作在饱和区，Mp3、Mp4、Mp5、Mp6、Mp7、Mp12和 Mp13构成的电流镜工作，Mp3开启分走 Ibias的大部分电流，使 Mp1和Mp2关闭，此时偏置电流电路工作在稳定状态，流经 Mn3的电流 I1可表示为危林峰等:一种低温漂张弛振荡器设计=34半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月图 4本文提出的张弛振荡器原理图Fig.4Principle schematic diagram of the relaxation oscillator proposed in this paperI1=I2gm3(5)式中:I2为流过电阻 的电流;gm3为 Mn3的跨导，可表示为gm3=2I1Vgs3 Vth3(6)式中:Vth3为 Mn3的阈值电压;Vgs3为 Mn3的栅源极压降，可表示为Vgs3=I2(7)由式(5)、(6)和(7)可得I2=Vth3(8)由于 Mp4的宽长比为 Mp7和 Mp12的 2 倍，则充电电流 Icharge为Icharge=12I2=Vth32(9)Mn1、Mn2与 Mn3宽长比相等，其阈值电压相等。将式(9)代入式(4)中得fOSC=14C(10)由式(10)可知，振荡器的输出频率受电阻和电容的温漂影响，消除了阈值电压的影响。而本设计中的电容采用的是 MIM 结构，其容值随温度变化波动可以忽略，最后只需考虑振荡器电阻的温漂对输出频率的影响。在工艺角 TT、电源电压 3.3 V 的环境下，对振荡器输出频率(fout)与 Mn3阈值电压的温度()特性进行了仿真，如图 5 所示。当 Mn3阈值电压在55125 变化 37%时，振荡器的输出频率在55125 只变化 0.57%，说明振荡器输出频率不会受阈值电压温漂的影响。电阻 为不同温度系数时，对输出频率的温度系数进行了仿真，如图 6 所示，图中CT，f和CT，分别为输出频率的温度系数和电阻的温度系数。输出频率的温度系数变化与电阻 的温度系数呈正相关。仿真验证表明，振荡器的输出频率主要受电阻的温漂影响，可通过调整电阻的温度系数来降低温度对输出频率的影响。图 5输出频率与 Mn3阈值电压的温度特性Fig.5Temperature characteristics of the output frequencyand the threshold voltage of Mn3图 6输出频率的温度系数与电阻的温度系数的关系Fig.6elationship between the temperature coefficientof the output frequency and the temperature coef-ficient of the resistor危林峰等:一种低温漂张弛振荡器设计=January2023Semiconductor Technology Vol48 No1352.2电阻电阻 采用并/串联复合电阻结构1416 降低其温度系数对工艺变化的敏感性，当阻值受工艺影响变化时，电阻 的温度系数变化很小，可以提高电阻补偿的精度，结构如图 7 所示，并/串联复合电阻等效温度系数 CT，P/S为15 CT，P/S=CT，P(P N)NP+NP N+N+CT，N(P N)PP+N+NP N+N(11)式中:为电阻比值;N为负温度系数电阻;P为正温度系数电阻;CT，N和 CT，P分别为电阻 N和P的温度系数，在本设计中，CT，N和 CT，P分别为104/和 0.003 8/，通过选取合适的 N和 P阻值大小，最后实现了整体阻值为 635 k 的复合电阻，振荡器输出频率的温度系数为 32106/。图 7并/串联复合电阻结构Fig.7Structure of parallel/series composite resistors2.3比较器如图 4 所示，本设计采用的比较器由两个输入管 Mp8和 Mp11，两个交叉耦合对 Mp9-Mp10和 Mn7-Mn8，以及两个电阻构成，Mp8的输入电压为 Vin8，Mp11的输入电压为 Vin11。电路可以根据输入 Vin11Vin8的极性，在 P 点和 Q 点提供轨到轨的输出，具体工作过程如下。当输入 Vin11Vin8的极性为正时，Mn8栅极电压变高，Mn7栅极电压变低，则 P 点电压变高，Q 点电压变低，Mn8与 Mp9构成的正反馈回路使 Q 点电压更低，Mn7与 Mp10构成的正反馈回路使 P 点电压更高，直到达到轨到轨的输出，P 点输出高电平，Q 点输出低电平;当输入 Vin11Vin8的极性为负时，通过正反馈回路，同样可以达到轨到轨的输出，使P 点输出低电平，Q 点输出高电平。3测试结果本文中的振荡器集成应用在温度传感芯片中，采用 0.35 m BCD 工艺流片验证，芯片的显微镜照片如图 8 所示，振荡器单元尺寸为0.25 mm 0.3 mm，当电源电压为 3.3 V，振荡器输出频率为128 kHz时，功耗约为 15 W。图 8温度传感器芯片照片Fig.8Photo of the temperature sensor chip图 9 给出了 3 个芯片样品中振荡器电路单元的温度特性测试曲线，电源电压为 3.3 V，温度为55125，每隔 20 对各个芯片的振荡器电路单元输出频率进行一次测量。芯片振荡器输出频率的温度系数范围为 7910693106/，计算出的平均温度系数为 83.6106/。图 9振荡器输出频率的温度特性Fig.9Temperature characteristics of the oscillator output frequency各个芯片的振荡器单元输出频率在电源电压波动时的变化如图 10 所示，当电源电压在 3.3 V 上下波动约 10%时，各个芯片的振荡器单元输出频率的相对变化均小于 0.34%。图 10振荡器输出频率与电源电压的关系Fig.10elationship between oscillator output frequencyand power supply voltage危林峰等:一种低温漂张弛振荡器设计=36半导体技术第 48 卷第 1 期2023 年 1 月表 1 将本文设计的张弛振荡器性能参数与部分文献中的张弛振荡器进行对比，表中*表示原文中的数据为0.6%与0.15%，为了方便对比转换为133.3106/与 0.3%。可以看出，本文提出的张弛振荡器可以在保持较小尺寸与较低功耗的同时，实现具有低温度系数的输出频率。表 1张弛振荡器的性能对比Tab.1Performances comparison of the relaxation oscillator参数本文文献 5文献 6文献 7工艺350 nm180 nm65 nm250 nm频率/MHz0.1288.231.37面积/mm20.0750.0280.0440.066功耗/W1546.317.389.1温度/55125201000900120电源电压范围/V33.60.750.950.951.453.35.5频率温度系数/(1061)83.6123133.3*323.9频率电压特性/%0.340.910.3*1.184结论本文基于 0.35 m BCD 工艺设计了一款张弛振荡器，提出了一种无需额外温度补偿以及偏移抵消电路的简单结构，有效降低了振荡器的功耗与面积，其输出频率对温度的稳定性只受电阻温漂的影响，然后采用串/并联复合的电阻拓扑结构，将相反温度系数的电阻组合，来有效降低电阻温漂的影响。芯片测试结果表明，当电源电压在 33.6 V 变化时，输出频率变化小于 0.34%;当温度在55125 变化时，输出频率的温度系数为 83.6106/。参考文献:1 TYAGI V，KALLA S，ANA V A 1 MHz PVT com-pensated C oscillator with 8 ppm/frequency stability J Analog Integrated 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In-ternationalSymposiumonCircuitsandSystems(ISCAS)Baltimore，USA，2017:14(收稿日期:20220929)作者简介:危林峰(1997)，男，湖北仙桃人，硕士研究生，主要研究方向为数模混合集成电路设计;李文昌(1974)，男，辽宁沈阳人，博士，研究员，主要研究方向为高可靠性数模混合集成电路技术。