一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器设计

基金项目：四川省科技计划项目重点研发项目，项目编号2022YFG003

0 引言

振荡器作为一种时钟信号电路，是许多电子系统重要组成部分。随着集成电路的快速发展，振荡器会在数字及数模混合集成电路中扮演极其重要的角色。因此，需要一种高稳定高精度的可集成的振荡器。

振荡器是在不外加输入信号的条件下，可仅仅依靠电路自激振荡而产生具有周期性的信号。一般地，晶体振荡器的频率比较稳定，但不能集成到芯片内部，而且精度只与所选择的晶体器件的固有频率有关^[1]。RC振荡器结构简单、成本低廉，因而受到非常广泛的应用，但其振荡频率易受电压和温度变化的影响，其次也与电阻和电容与工艺有关系^[2,3]。

文章介绍的高精度RC振荡器电路，其电路的内部电流源电路采用高阶温度补偿的设计方案，得到在较宽的温度范围内具有与温度无关的电流源电路。此外，针对工艺会带来的偏差，采用电流数字修调电路来提高振荡器频率的稳定性。

1 RC振荡器的结构与设计重点

1.1 RC振荡器的结构

RC振荡器的原理图，如图1 所示。

图1 RC振荡器

RC振荡器的工作原理：假设初始状态的RS锁存器的输出端Q=0，整型反向器的输出端CLK=0、CLKN=1。此时，开关管M₁导通， M₂关断，充电电流I_c对电容C₁进行充电，电容两端电压不断上升，与此同时，开关管M₃关断，M₄导通，电容C₂同过开关管M₄对地进行放电直到0 V。当电容C₁两端电压上升至V_ref时，比较器Comp2的输出跳变为1，此时RS锁存器的输出为Q=1，整型反向器的输出端CLK=1、CLKN=0，开关管M₃导通， M₄关断，充电电流I_c对电容C₂进行充电，此时电容C₁两端的电压对地进行放电直至到0 V。当电容C₂两端电压等于V_ref时，比较器Comp1输出发生改变，变为1，而此时RS锁存器的输出变为Q=0，整型反向器的输出端CLK=0、CLKN=1，电路回到了初始状态，电容完成一个充放电周期，电路形成一个振荡周期，如此往复循环，使RC振荡器以一定的频率不断进行。

根据前面的分析以及电容的充放电特性可知，电容完成充电时间t₁和放电时间t₂为：

t₁=   (1)

t₂=   (2)

其中，C为电容的容值； ΔU为电容两端的电压差值。当充放电电流I_c为固定值，一个完整的电容充放电的周期T= t₁+ t₂。

因此，可以得到RC振荡器的输出频率计算公式为：

f=  =    (3)

式3中，I_c是电流源电流，即也是充电电流，V_ref为带隙基准电压值，C为电容值。当电容C₁和C₂两端电压与V_ref相等时，充电电流I_c 停止对电容充电，随之电容开始对地放电直至电容两端电压为0，随后充电电流为另一电容充电，两个电容的充放电时间为一个振荡周期。

1.2 RC振荡器的设计重点

在一些高精度的应用领域，时钟信号在抗工艺漂移（P）、电源电压（V）、温度（T）变化时要满足高精度的要求，因此这也是RC振荡器的设计难点和重点。使用CMOS工艺可有效提高系统集成度和降低成本，但是，实现高精度振荡器面临的以上的问题，因此，现阶段也是主要从工艺漂移（P）、电源电压（V）、温度（T）这3 个方面解决输出频率的稳定性^[4-9]。

为使RC振荡器的工作电压受电源电压的影响较小，采用LDO电路的输出电压作为振荡器的电源电压；同时设计具有3阶温度补偿的电流源电路使得输出频率也与温度变化不相关；为避免数字电路对模拟电路性能的影响，设计低通滤波器将模拟电路与数字电路隔离起来；最后，设计电流数字修调电路使得振荡器电路得到精度较高的输出频率。

2 电路结构设计

2.1 电压和电流基准源

电压基准电路为电流型低压带隙基准，根据其原理为，可以得到具有零温度系数的电流I_D2 。如图2 所示。

图2 电压基准电路

V_ref和V_ref1均是1阶温度系数为零的基准电压，它们被用作电流源电路的采样电压，对应的电路如图3所示。

图3 电流源电路

在电流源电路中，可以将两个运算放大器的正负输出端看作近似相等，可得：

I₁=    (4)

I₂=    (5)

在现有的文献中，一些具有相反温度特性的器件被组合起来以获得良好的温度特性^[8-9]。而R₇，R₈分别为两个相反温度特性的电阻叠加而成，这里做了简化处理。此时，得到的电流I₁和I₂均为2阶温度系数为零的电流，但其值不同。为得到具有3阶温度系数的电流I₃ ，可以通过I₁减去适当比例的I₂即可得到。

I₃=αI₁−βI₂   (6)

2.2 LDO稳压器

LDO稳压器即低压差线性稳压器。它以结构简单、低压差、输出电压受电源电压的变化影响较小而得到广泛运用。如图4 所示，它主要由误差放大器、功率管、反馈电阻等组成。由于误差放大器、功率管M_p 、电阻R₁和R₂组成了负反馈结构，利用负反馈机制可以得到输出稳定且的电压^[10]。因此，LDO的输出电压可以作为振荡器的电源电压。通过分析可以得到输出电压表达式为：

V_OUT=V_ref    (7)

由上述分析可知，当LDO输出电压V_OUT变大时，经过反馈电阻分压，误差运放的负输入端也会变大，此时误差运放输出变大，使功率管V_GS变小，流过功率管的电流减小，进而减小输出电压V_OUT的值，反之亦然。

因此，LDO电路可以得到稳定的输出电压，受电源电压和温度的影响几乎不变的电压值，并将这个电压值作为RC 振荡器的核心模块的电源电压。

图4 低压差线性稳压器

2.3 低通滤波器

文中RC振荡器电路系统含有模拟电路和数字电路，振荡器的核心电路主要为数字电路，而它的电源电压由模拟电路LDO的输出电压V_OUT进行供电，此外，电压基准及电流源电路也为模拟电路。但是，由于数字电路发生高低电位转换时，会导致电源上发生一定的抖动，该抖动会直接传递到LDO的输出端，进而会影响到模拟电路的性能。可以将模拟电路与数字电路隔离，如图5所示。

图5 模拟电路与数字电路隔离示意图

采用工作于线性区的PMO 管和NMOS电容形成一个RC低通滤波器的方式，对模拟电路与数字电路进行隔离。仿真结果表明，当数字电路的电源有抖动噪声产生时，采用这种方式能够有效的改善电源抖动现象，优化了模拟电路的性能。

2.4 数字修调电路

实际上，整个电路的设计，再到最后的仿真验证过程中，在不考虑数字修调模块的情况下，RC 振荡器电路也能实现功能。但是，由于存在工艺漂移，电阻和电容的误差失配，影响输出频率的精度。因此，可以采用将电路的充放电电流、电阻和电容阵列进行修调的方法^[11-13]。

文中的数字修调电路采用8位修调信号来控制PMOS开关管的导通与关断，每一位控制一个开关管。当输出信号频率减小时，会打开更多开关，会使充电电流I_c增大，输出频率增大。理论上修调位数越多，振荡器的精度越高。如图6所示。

图6 电流数字修调电路

3 仿真结果与分析

文章采用CSMC 0.18 μmCMOS工艺，仿真结果和数据由Cadence Spectre电路仿真工具所得到。

电流源电路采用3 阶温度补偿结构， 当温度变化从-40℃~125℃时， 误差不超过0.8%，表明该电流源电路具有优异的温度特性。如图7所示。

图7 电流温度特性

LDO输出电压的精度可以用线性调整率来衡量，线性调整率越小，LDO输出电压精度越高。仿真结果表明，线性调整率为5.29 mV/V，误差不超过0.5%。如图8 所示。

图8 LDO仿真图

在tt工艺角，温度27℃ 时，RC振荡器的输出结果，如图9所示。

图9 RC振荡器输出信号

在温度为-40℃~125℃，电源电压为2.5 V~5.5 V 的情况下，RC 振荡器的输出频率的结果。如表1 所示。

表1 不同工艺角下RC振荡器的输出频率

文章设计的高精度RC振荡器与国内外参考文献的设计性能指标的仿真结果对比。如表2所示。

表2 文章与文献中的振荡器结果比较

4 结束语

文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工艺，采用高阶温度补偿电流源以及电流数字修调技术，实现了一种具有高阶温度补偿高精度的RC 振荡器。仿真结果表明：在电源电压为2.5 V~5.5 V，温度为-40℃~125℃ 条件下，振荡器输出中心频率保持在±0.25% 以内。该电路可集成应用到一些较为复杂的系统中，如可作为数模转换器（ADC）的内部时钟，也可集成单独的时钟芯片。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）