一种与比较器延迟无关的高精度CMOS振荡器

一种与比较器延迟无关的高精度CMOS振荡器
秦松;王磊
【摘要】提出了一种采用0.18 μm CMOS工艺制作的浮动初始电压(FIV)型高精
度振荡器电路.浮动初始电压(FIV)技术用以消除比较器延迟对振荡器频率的影响,同时利用器件的匹配特性使得振荡频率仅和RC相关.此外通过适当的温度系数补偿,
此振荡器可以在-40 ～125℃达到+0.5％的精度,并且仅占0.035 mm2的芯片面积.【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2017(030)005
【总页数】4页(P94-97)
【关键词】浮动初始电压;RC振荡器;CMOS;比较器延迟
【作者】秦松;王磊
【作者单位】帝奥微电子有限公司研发部,上海201103;帝奥微电子有限公司研发部,上海201103
【正文语种】中文
【中图分类】TN432
当前，片上基准振荡器被广泛应用于各种集成电路中，如生物医学传感器、MCU、无线传感器网络、DDR接口、SoC等[1-2]。

阻容型振荡器，包括张弛振荡器，通常可以通过标准CMOS工艺实现。

晶体振荡器能够达到10 ppm的精度级别，然而由于晶体无法集成，所以晶体振
荡器的体积大，成本高并且起振慢。

LC振荡器可以实现和晶振相近的精度和相位
噪声，然而其功耗却在数百mW以上，并不适合当前大部分设备对低功耗的要求。

此外，传统的补偿型RC振荡器，如环形振荡器或含反馈环路的张弛振荡器，尽管也可以实现约1%的精度，但其电路结构比较复杂，导致功耗和面积较大[3-7]。

本文对传统张弛振荡器进行了改进，提出了浮动初始电压(FIV)技术，用简单的电
路结构实现了高精度的振荡器，同时兼具低功耗和占用较小芯片面积的优点。

讨论了传统张弛振荡器存在的问题，同时分析了浮动初始电压振荡器的工作原理以及各种非理想因素对振荡器精度的影响。

1.1 传统张弛振荡器
图1是一种常用的传统张弛振荡器结构[8-9]。

该振荡器通过给电容充放电实现振荡：(1)t1阶段，电容C通过Iref充电；(2)当VC电压超过Vref时，比较器翻转
并使放电开关导通，给电容C放电；(3)当电容C放电到Vref以下，比较器再次
翻转，放电开关关闭，电容开始充电。

此振荡器存在的主要问题包括：(1)由于比较延迟的存在，实际的翻转点并不是Vramp和Vref交叉的那一点，因而其振荡频率要低于I/(Vref·C)。

并且由于比较
器的延迟随温度和电源电压变化，振荡器的频率也受其影响；(2)电流源Iref的老
化会降低充电电流的精度，进而影响振荡器的频率。

1.2 浮动初始电压振荡器的原理
通过减小比较器的延时可以减小振荡器频率的变化，然而这需要以增加比较器的功耗为代价，而这是许多应用所不能接受的[10-12]。

因此，本文提出的浮动初始电
压(FIV)振荡器能够：(1)消除比较器延迟对振荡器频率的影响；(2)消除电流源老化对振荡器频率的影响，因而此振荡器的长期频率稳定性良好。

浮动初始电压振荡器的结构和波形如图2和图3所示，忽略各个节点和器件的寄
生电容。

假定t0时刻SW1导通，C1从0开始充电，VB的初始电压为V1。

在
t1～t0阶段，由于N1没有导通，I1和I2都对C1充电，同时I2对C2充电。

当
VA电压上升到使得N1导通，并且恰好使得I1和I2的电流都流入N1(I1电流通
过C2流入N1)，由于没有多余的电流给C1充电，因此 VA电压将保持恒定(图3中Vgs)，而VB电压由于C2的放电而下降。

那么在t1时刻VA电压上升到Vgs，而VB电压则上升到V1。

通过选取恰当的Vref2值，可以使得比较器的输出在t1时刻为低。

根据电流源对C1和C2的充电情况，可得
在t2～t1阶段，VA保持恒定，仅I1对C2放电，当VB电压下降到比较器翻转，有下式成立
比较器正向翻转后，由于D触发器是上升沿触发，故D触发器也会翻转，使得SW1和SW4断开，而SW2和SW3导通。

由于忽略VA和VB节点的电容，故
开关切换过程中，不会存在电荷的重新分配，即C2两端的电压保持不变。

SW2
闭合后，由于C1初始电压为0，又没有电荷的重新分配，故VA电压将从Vgs变为0，VB电压将从变成V1，并且有下式成立
整理式(1)～式(4)，可得
由式(5)可见，此振荡器的周期仅和Vgs，C1和I1相关，与比较器的延迟无关。

在上述每个周期的开始时刻，电容C2两端的电压并不被强制为固定电压，而是处于浮动状态，故称为浮动初始电压型振荡器。

1.3 精度分析和非理想因素的影响
1.3.1 振荡器的温度特性
根据式(5)，Vgs/I1可以等效为一个电阻Rref，实际电路中，可以通过将Vgs加
在电阻Rref上得到I1，因此振荡器频率的温度系数将主要取决于Rref和C1。

在当前许多CMOS工艺中，都可以提供接近于零温度系数的电阻，再通过利用不同温度系数电阻的搭配使用，就可以将Rref的温度系数补偿到接近于0。

另外CMOS工艺中的PIP电容或MIM电容的温度系数都很小，可以忽略。

预计由于Rref和C1的温度系数造成的频率温漂可以达到约0.4%。

此外，MOS器件匹配的温度系数、开关动作的电荷注入和时钟馈通因素的温度系数都会造成振荡器频率的温漂，估算此项变化在0.1%以下。

1.3.2 振荡频率的长期稳定性
MOS器件的随时间老化的特性通常会降低电路性能[5]。

在本文所述的振荡器中，电流源、比较器以及N1等均由MOS器件构成。

然而在本文所提出的振荡器中，由于电流源、N1以及比较器等，均是利用了MOS器件的匹配特性，由于MOS 器件的老化并不会造成匹配特性的下降，不会对振荡器的频率造成影响。

式(5)可以重新写成
可见，振荡频率的老化特性取决于Rref和C1，而Rref和C1精度的长期稳定性良好，所以振荡器频率的长期稳定性也是理想的。

1.3.3 非理想因素对振荡频率的影响
在上述分析中，为简化分析，忽略了VA和VB节点的电容，但事实上由于N1的Cgs和Cdb的存在，以及电流源I1,I2在VA和VB的寄生电容，比较器的输入电容等会对此振荡器的工作状态有某种影响，本文着重考察这些寄生参数对振荡器频率的影响。

如图4所示，将VA和VB节点的寄生电容分别用Cx和Cy表示。

由于Cx和Cy 的存在，在SW1和SW2开关切换的过程中，必然存在电荷的重新分配，即t0时刻VA的起始电压不再是0，而用V0表示。

开关切换前后，VA节点和VB节点的电荷守恒，故分别有以下等式成立
整理式(7)和式(8)，并令
在t1～t0时间内，由于Cy的存在，I2电流的一部分流过C2，另一部分给Cy充电，有
在t1～t0时间内，有的电流给C1+Cx充电
由式(10)可得的表达式，连同式(9)代入式(11)，并令Cx=aC2，Cy=bC2，可得
t2～t1时间段内，式(3)依然成立。

综合式(8)，式(12)和式(13)，可得的表达式，
代入式(3)得
从上述推导可以得出结论：VA和VB节点的寄生电容并不会影响此振荡器的频率。

这一点对于高精度振荡器的设计非常重要，说明此振荡器本身具有高精度的特点，即使寄生参数随着工艺或温度漂移也不会影响此振荡器的精度。

观察式(13)和式(14)还可以发现，VB节点的电容对于振荡器的占空比可以产生影响，因此对于那
些对振荡器占空比有要求的应用，可以利用此特点调节振荡器的占空比而保持震荡频率不变。

另外还可以发现，VA节点的电容既不影响频率也不影响占空比。

根据上述分析计算，在0.18 μm CM OS工艺上设计了一个频率为2 MHz的振荡器。

其中,C1=1 pF,C2=0.5 pF,Rref=500 kΩ。

电路所占面积为0.035 mm2，消
耗的电流为15 μA。

图5是芯片的照片，图6是实测的振荡器频率的温度特性，
表1是本文所提出的振荡器和其他最新设计的性能对比表格。

本文提出了一种新型浮动初始电压型高精度振荡器的结构，分析了其工作原理并解释了其振荡频率和比较器延迟无关且和对寄生参数不敏感的原因。

在0.18 μm CMOS工艺上实现了此振荡器，并且将此振荡器的各项性能和现有文献结果进行
了对比，其结果验证了理论分析。

【相关文献】
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