一种可校准的高精度低温漂RC振荡器的设计_朱恒军.pdf

1引言当前，MCU 芯片已被广泛应用在工业、医疗、汽车、通信等领域，高稳定性 MCU 的市场需求也随之增长。振荡器作为 MCU 芯片的核心部分，决定着芯片的系统时钟，其频率稳定性会影响整个系统环路，因此对振荡器的性能指标提出了越来越高的设计要求1-2。MCU 时钟源又分为片内时钟源和片外时钟源，出于成本考虑，一般集成内部时钟3。RC 振荡器因其成本低廉、结构简单、便于集成，在 MCU 芯片中得到了广泛的应用，但其输出频率会受工艺、温度和电源电压波动等因素的影响4。鉴于此，本研究尝试采用温度补偿技术和数字修调技术设计一种低温漂振荡器。2电路功能描述2.1整体电路设计新设计 RC 振荡电路基于对传统 RC 振荡器的理论分析，主要考虑电路温度特性，以及电源电压波动带来的影响，因其高精度、可校准的特点，适于用一种可校准的高精度低温漂 RC 振荡器的设计朱恒军，潘靖雪，康嘉浩，杨轲，徐正（齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，齐齐哈尔 161006）摘要:为满足 MCU 高速稳定工作的设计需求，提出了一种高精度、可校准 RC 高速振荡电路，为芯片内部提供稳定时钟源。电路利用二阶温度补偿方案，通过数字修调为电容充电提供零温漂基准电流；采用低压差线性稳压器提高振荡器对电源电压大幅度变化的抑制能力；采用数字校准的方式对电容充电电流进行调整，消除工艺带来的误差。电路基于 HHGrace 0.11m CMOS 工艺设计，采用 Cadence Spectre 和 Hspice 工具进行仿真。仿真得到 RC 振荡器在相关条件下的输出频率及输出频率变化率，与典型 RC 振荡器相比，稳定性有显著的提高。关键词：MCU 稳定性；RC 振荡器；二阶温度补偿；数字修调DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.004中图分类号:TN402文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0013-06Design of a Calibratable High Precision Low Temperature DriftRC OscillatorZHU Hengjun,PAN Jingxue,KANG Jiahao,YANG Ke,XU Zheng(College of Communication and Electronic Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)Abstract:In order to meet the design requirements of high-speed and stable operation of MCU,ahigh-precision and calibratable RC high-speed oscillation circuit is proposed to provide a stable clocksource for the chip.The circuit uses the second-order temperature compensation scheme to provide zerotemperature drift reference current for capacitor charging through digital adjustment.The low dropout linearregulator is used to improve the oscillators ability to suppress the large change of power supply voltage.The charging current of the capacitor is adjusted by digital calibration to eliminate the error caused bythe process.The circuit is designed based on HHGrace 0.11m CMOS process,and simulated by CadenceSpectre and Hspice tools.The output frequency and output frequency change rate of RC oscillator underrelevant conditions are obtained by simulation,and compared with typical RC oscillators,the stability issignificantly improved.Key words:MCU stability;RC oscillator;Second order temperature compensation;Digital correctionand adjustment作者简介：朱恒军（1969），男，黑龙江省齐齐哈尔市人，硕士，教授，主研方向：信号检测与信息处理，通信系统设计，集成电路设计。通讯作者：潘靖雪（1998），女，河南省新乡市人，硕士研究生，主研方向：集成电路设计。收稿日期：2022-10-21微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023微处理机2023 年作 MCU 的片内时钟源。设计采用双比较器的恒流源充放电 RC 振荡器结构，产生周期性脉冲信号，输出控制逻辑电路的时序。按照设计，振荡器可输出中心频率为 16MHz、输出幅值为 1.5V、占空比为 50%的标准方波信号，满足整个 MCU 芯片的稳定时钟设计需求。该 RC 振荡电路总体结构如图 1 所示。电路结构主要包括带隙基准电路、LDO 稳压电路、修调网络、RC 主振荡电路以及逻辑控制电路。2.2逻辑功能概述本电路的主要工作方式为 RC 充放电，通过信号的交替，产生时钟信号。其中，带隙基准电路用来提供稳定的参考电压和零温度系数电流 IREF，使用二阶温度补偿方式，降低电路对温度的敏感性；LDO模块用来为其他模块提供稳定的 1.5V 工作电压，使振荡器不受外部电源电压波动的影响，保证 RC 振荡器输出频率的精度。修调网络分为电阻修调和电流修调。电阻修调电路有两个作用：一是调节电阻值得到更不受温度影响的参考电压 VREF，二是在支路产生零温度系数的电流，为电容充放电提供镜像电流。其中，修调电阻的大小影响了电流 IREF的大小，进而决定振荡频率的大小；电流修调是针对工艺漂移引起的误差来调节充电电流的大小，使输出频率的精度符合目标频率。时钟充电电容及其比较器的对称设计消除了由于比较器迟滞而引入的频率误差，即提高了振荡精度，同时可得到较为精准的 50%占空比频率5。3电路设计3.1RC 振荡电路RC 主振荡电路如图 2 所示，主要由比较器、充电电容、充放电管和 RS 触发器组成。电路中两组对称的比较器用来提供翻转电压产生振荡信号，其一端连接来自带隙基准的参考电压 VREF，另一端连接有着相同大小电容极板的一端。图 2RC 主振荡电路图 1振荡器电路框图DQCLKSetQOENVCHVCLM3M4M5M6C2C1PCLKRC振荡逻辑控制电路AAnIREFVDDENPOVREFENENAAnM7M8CMPCMP+-DQCLKSetQODQCLKSetQ+-LDORC振荡器电阻调节电路带隙基准电路电流修调电路逻辑控制电路VDD电源供电IREF偏置电压VREFVREF 修调产生时钟这一设计的原理如下：假设初始状态 EN 信号为低电平，比较器电路不工作，VCH和 VCL都是低电平，电容中没有电荷，M7管和 M8管打开，将 A 端和An端拉低，经过 RS 触发器，O 点为低电平，返回到D 触发器的输入端。此时 O 点和 EN 都为低电平，经过锁存器将 Q端锁定为高，Q 端为低。当输入 EN 信号为高电平时，由于锁存器的锁定，Q 和 Q 状态不变，此时 VCH变为高电平，M3管打开，P 点开始给 C1142 期充电，C1电容持续积累电荷，比较器开始正常工作，此时 A 端为高电平，An端为低电平，O 点不变。当VCH达到参考电压 VREF时，C1释放电荷变为低电平，经过比较器和 RS 触发器，O 点迅速上升为高电平，D 触发器经过边沿触发，Q 端变为高电平，VCL迅速升高，M5管打开，C2电容开始积累电荷，此时 A 端为低电平，An端为高电平，O 点迅速降为低电平，继而达到参考电压时开始放电，振荡器完成一个振荡周期。如此往复，即可产生占空比为 50%的周期时钟方波信号 CLK。假设充电电流为 Icharge，根据电容元件伏安关系，可知：当电容充电到比较器的阈值电压 VREF时，所用时间为 tcharge，则有：若忽略比较器的延时，则振荡频率可表示为：电容的温漂系数很小，从(4)式可以看出，若电容值是确定的，则振荡频率仅受充电电流 Icharge和基准电压 VREF的影响。因此设计 LDO 稳压电路和修调网络具有其必要性，能够用来克服振荡器因受环境因素而产生波动的问题。3.2LDO 稳压电路LDO 主要作用是产生稳定可靠的偏置电压和偏置电流，其电路如图 3 所示，由带隙基准、误差放大器、功率管（M22）和反馈电阻网络（R8、R9）组成。将外部 2.75V 范围内电压转换为稳定可靠的 1.5V，然后作为工作电压提供给振荡器内部以及修调网络。由 VREF为带隙基准产生的 1.2V 基准电压。输出电压的计算公式为：该结构被设计为带有二阶温度补偿的带隙基准电路。带隙基准输出 VREF送给误差放大器的输入端，AMP2 将电阻通路的电压钳位至 VREF，送给比较器的一端，且使得流过电阻支路的电流成为恒定电流源，该恒定电流源通过镜像管 M14，为电流调节电路提供动态电流，以及为比较器提供稳定的尾电流源。在该电阻支路设计了电阻修调电路，并将电阻分为两路，一路调整偏置电流的大小，另一路用来控制电流的ddUICt=(1)REFchargechange001ddVtUItC=REFchargechangeCVtI=(2)(3)changechargeREF122IftCV=(4)9outREF81RVVR=+|(5)图 3LDO 稳压电路温度系数，保证镜像出去的电流在任何温度下的都是校准完好的。3.3修调网络在理想情况下，图 2 中的 RC 振荡电路也可以单独实现振荡器功能。但是由于环境影响，振荡频率会因为温度和工艺的漂移而导致不稳定，电阻、电容等都会有所波动，最后得到的输出频率与目标频率相比会有一定的偏差，对电路正常工作造成影响。因此，需要引入修调网络对 RC 振荡电路配置可调频控制位，当电路因实际环境的影响而产生偏差时，可以及时调整至目标频率。由于电阻阻值随温度变化较大，所以引入 Q3用以抵消电阻的温度漂移，电阻与电流的关系式为：其中，R 为正温度系数电阻，二极管电压 VBE为负温度系数电压，VREF为带隙基准输出的零温度系数电压，可以使 IREF在-45125温度范围内产生最小的温度偏移。但是由于 VBE和 R 不能完全抵消形成零温度系数电流，所以要同时使用电阻调节电路，电路如图 4所示。REFBEREFVVIR-=(6)朱恒军等：一种可校准的高精度低温漂 RC 振荡器的设计M9M10M11M12M13R4R5R6M15M17M16M21M19M20M18M22C5R9R8C6VoutVREFVCCQ1Q2M14Rt2AMP2AMP1VREFQ3 16级可修调电阻，Rt1调整偏置电流，Rt2控制温度系数Rt1R10R715微处理机2023 年图 5电流修调电路图 4电阻调节电路电阻调节电路引入四位可调数字信号，通过 4-16 译码器产生 16 位可调节点，利用 16 个开关的开关状态产生 16 种电阻值模式，获得 16 种充电电流的配置可能，以抵消由温度产生的电流漂移。两路电阻成比例关系增大或减小，一路电阻增大用来抵消由于温度变化引起的误差，另一路电阻减小用来控制电阻比例以及电流的大小，默认修调数据为0000。针对工艺的不稳定性可能引起的输出频率相对目标频率的巨大偏差，设计了如图 5 的电流修调电路，对工艺漂移引起的各种误差进行补偿。电流修调电路引入六位可调数字信号，P1P6为带隙基准镜像过来的 1 倍、2 倍、4 倍、8 倍、16 倍、32 倍的零温度系数电流；P7为 32 倍稳定输入恒流源；P8P13为数字配置输入，用来控制支路电流的通断，方式为：低导通，高关闭。该电路仅使用 MOS 管即可实现，因此占用面积小、功耗低。默认修调数据为 000000，从(4)式可以看出，振荡电路输出频率与充电电流呈线性关系。因此，针对工艺造成的影响，可以通过数字控制打开或关闭更多的开关来改变 Icharge，从而使输出频率达到目标值。4仿真结果基于 HHGrace 0.11m CMOS 工艺，用 CadenceVirtuoso 软件对电路的主要参数进行仿真。设计一个 16MHz 的高速稳定时钟电路。在 2.75V 电源电压范围内，TT、FF、SS 工艺角下，对温度从-45125进行扫描。首先对典型的固定输出 16MHz 频率进行瞬态仿真，然后在输入电源电压 3.3V、典型工艺角TT、室温 27条件下，对 RC 振荡器进行仿真。得到的重要节点仿真波形如图 6 所示。四个重要节点对应于图 2 中的电容 C1、C2、RS 触发器和振荡器相关位置。用 calculate 算出输出中心频率值为 16MHz,其输出信号与分析基本一致，可满足实际设计指标需求。仿真得到不同工艺角下输出频率随电源电压变化曲线，如图 7 所示。可见，该电路受电源电压的影响较小，在 2.75V 范围内变化，输出频率最大偏移率为0.06%。当温度在-45125内变化时，在 FF、TT、SS 工VDDVREFM14Q3AMP2VBEVREF1.51.00.501010.0510.110.1510.210.2510.310.3510.4t/s1010.0510.110.1510.210.2510.310.3510.41.51.00.50t/s1.51.00.501010.0510.110.1510.210.2510.310.3510.4t/s1.51.00.501010.0510.110.1510.210.2510.310.3510.4t/s(a)电容 C1(b)电容 C2(c)RS 触发器(d)振荡器图 6重要节点仿真波形图图 7输出频率随电源电压变化曲线PP1P8P2P9P3P10P4P11P13P6P12P5P7VDD162 期艺角下，对振荡器进行频率温度特性仿真，仿真结果如图 8 所示。结果得出，频率偏移率为0.25%。通过与其他片上 RC 振荡器进行对比，本设计对 RC振荡器的稳定性有显著提升。电阻修调电路在不同温度下频率与修调数据的对应值如表 1 所示。本设计 RC 振荡器版图采用 HHGrace 0.11mCMOS 工艺实现，如图 9 所示。版图尺寸为 450m490m（含 ESD 电路），已通过 DRC（设计规则检查）与 LVS（原理图一致性检查）验证。在版图设计中，放置合适的 Dummy 器件来满足版图匹配。与其他文献中的振荡器的对比情况如表 2。对比数据表明，本设计振荡器在较宽温度范围内频率受温度影响较小，同时具有良好的电源抑制能力，满足 MCU 芯片的设计需求。5结束语基于 HHGrace 0.11m CMOS 工艺对 RC 振荡器进行了重新设计，使之满足了高精度、可校准的应用需求。使用简单易集成的 RC 振荡器，通过两级校准以及二阶温度补偿方案，消除由工艺漂移而引起的误差，得到一个高精度、低温漂的高速时钟电路。该振荡器可根据需求，调整数字信号的状态控制电阻的阻值，产生不同的零温度系数电流，进而对电容充电与放电，同时通过控制数字信号，还可实现在较宽频率范围内正常工作。仿真结果表明，该 RC 振荡器具有较高的频率稳定性，满足 MCU 芯片的实际应用需求。参考文献：1穆新华,李琴琴,唐威,等.一种高精度可调频张弛振荡器的设计J.电子元件与材料,2021,40(1):42-46.MU Xinhua,LI Qinqin,TANG Wei,et 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9振荡器电路版图文献7文献8本设计0.260.60.25参数文献6工艺/nm频率/MHz电源电压范围/V频率电压特性/%温度变化范围/频率温度特性/%0.250.06-4512350134.50.08-401256530.951.450.15090180533.610-40125110162.75表 2振荡参数对比朱恒军等：一种可校准的高精度低温漂 RC 振荡器的设计17微处理机2023 年速振荡设计J.电子器件,2019,42(1):76-81.RAO Xibing,SUN Zhixin.A digital self-calibrated high-speed on-chip RC oscillator design with high precision andlow temperature sensitivityJ.Chinese Journal of ElectronDevices,2019,42(1):76-81.6董春雷,宁振球,金星,等.一种带温度补偿的高精度片上 RC 振荡器J.微电子学,2015,45(1):58-62.DONG Chunlei,NING Zhenqiu,JIN Xing,et al.A high ac-curacy on-chip RC oscillator with temperature compensa-tionJ.Microelectronics,2015,45(1):58-62.7MIKULIC J,SCHATZBERGER G,BARIC A.A 1-MHzrelaxation oscillator core employing a self-compensatingchopped comparator pairJ.IEEE Transactions on Circuitsand Systems I:Regular Papers,2019,66(5):1728-1736.8ZHOU Wei,GOH Wangling,GAO Yuan.A 3-MHz 17.3-W0.015%period jitter relaxation oscillation with energy effi-cient swing boostingJ.IEEE Transactions on Circuits andSystems 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