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一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器设计

作者:王风波,苟博,王华杰,辛晓强,聂海(成都信息工程大学通信工程学院,成都 610225) 时间:2023-08-06 来源:电子产品世界 收藏
编者按:基于当前一些高集成度高精度应用领域时钟信号大量需求的目的,介绍了一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器。文中所设计的电流源电路采用了3阶温度补偿的方法,可以有效降低电路对温度变化的敏感性,利用具有超低温度系数的电流对电容进行充放电,实现在较宽的温度范围内振荡器频率的高稳定性。仿真结果表明:在电源电压范围为2.5 V~5.5 V,温度范围为-40 ℃~125 ℃,及不同的工艺角下,输出频率精度保持在±0.25%以内。该RC振荡器具有高精度的输出频率,能够作为一些数模混合电路的时钟信号。

基金项目:四川省科技计划项目重点研发项目,项目编号2022YFG003

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202308/449329.htm

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]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 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。

1691328089617118.png

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Ic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Vref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Ic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Vref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=1691328534951817.png   (1)

t2=1691328470962491.png   (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Ic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= 1691328715719461.png1691328748575590.png   (3)

式3中,Ic是电流源电流,即也是充电电流,Vref为带隙基准电压值,C为电容值。当电容C1C2两端电压与Vref相等时,充电电流Ic 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ID2 。如图2 所示。

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图2 电压基准电路

VrefVref1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。

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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:

I11691328964980844.png   (4)

I21691329036938035.png   (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R7R8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I1I2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。

I3I1−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Mp 、电阻R1R2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:

VOUT=Vref 1691332647579958.png   (7)

由上述分析可知,当LDO输出电压VOUT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VGS变小,流过功率管的电流减小,进而减小输出电压VOUT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。

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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VOUT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。

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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Ic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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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

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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)



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