低功耗低频高精度RC振荡器设计

图10差分转单端输出以及波形整形电路
同时，利用XTAL和XTALN的相位差180°的特性，保证整形输出的方波占空比为50%。图8中CB和C为互补使能控制信号。当CB为低时，C为高，M23和M24均截止，差分电路的偏置电流被关断，输出为低功耗模式的高阻态；当CB为高时，C为低，则M23和M24快速导通，为放大器电路提供偏置电流，此时,XTAL和XTALN信号进行差分放大比较。当XTAL比XTALN高时，差分输出节点A和B的电位均为高，M13截止，M14导通，节点P输出为低,则缓冲后输出信号DIV为低;当XTAL比XTALN低时,差分输出节点A和B的电位均为低，MI13导通,MI22截止，节点P输出为高，缓冲后输出信号DIV为高，如此循环进行,输出方波信号DIV.由于XTAL和XTALN为相位差为180°,可以保证输出的方波信号占空比为50%。
对于N级环形振荡器的频率可以表示为： ，在本电路中N取3对于每一级环形振荡器，则其具体的电路如图5所示
图5单级环形振荡器电路
其原图模型为图6所示
图6单级环形振荡器电路原图模型
针对单级环形振荡器的分析如下：由:
而对与 可以由公式 求得，因此可以得到下面的结论：
带对称负载的差分延时单元如图6所示由源极耦合对和对称负载单元构成其中对称负载单元由一个二极管连接的PMOS管和相同尺寸、偏置于 的PMOS器件并联构成。研究表明对称负载单元的延时能够通过控制电压的精确控制,同时具有较高的电源噪声抑制能力器件构成的电流源动态的偏置于,用来补偿漏极和衬底电压的变化,实现等效于共源共栅电流源的特性因此带对称负载的差分延时单元能够实现较高的电源和衬底噪声抑制能力。
2.
根据图2所示，经过3级环形振荡器输出的波形为双端波形，因此需要加上相应的电路将双端转化为单端输出，即需要将相应的Vout+，以及Vout-转换为单端输出因此需要用到图9的差分转单端电路：
图9差分转单端电路
但是考虑到由于经过振荡器振荡得到的电路仍然是正弦波，而该电路的要求是需要输出占空比为50%的方波信号，即需要添加反相器实现该功能，而且正弦波变方波的最好方式也是利用差分对比较进行实现，故对图7进行改进设计，使其可以兼顾但端输出以及正弦波变方波功能，即实现一个电路两种功能的作用，环形振荡器的差分输出最后经过一个过零比较器之后,得到输出摆幅是满幅,占空比是1∶ 1的单端时钟信号VOUT，XTAL和XTALN端的信号均为非标准的正弦信号，特别是XTALN的振幅范围有可能超过电源电压的范围，因此，在振荡器输出端设计了图8所示的反相器缓冲电路，对振荡器输出信号进行差分放大整形，具体电路图10所示：
3
对于本次的电路设计，我们的设计方案经过了很多次大的变动，一开始我们打算利用我们所学的石英晶体振荡器进行设计，即结合图11，图12进行设计:
图11传统结构Pierce振荡器图12低功耗振荡电路
但是实际在设计电路时，我们却发现由于我们的工艺库并不支持石英晶体，因此这一方案只得放弃。
接下来留给我们的方案只有RC振荡器方案，以及LC振荡器方案两种可以选择。考虑到RC振荡器电阻R受到外界包括温度变化，电压变化，工艺条件不同等的影响，造成的结果变化值可以达到±30%，这样的结果是具有极大的不稳定性，而相应的LC振荡器则受这些因素的影响较小，故我们一开始的思路是使用LC电路，即利用LC振荡器，利用（1）LC振荡器（2）缓冲模块（整形模块，受信号控制）（3）控制模块（用于模式切换）这三个模块共同组成电路。
传统的Pierce振荡器如下图所示。M1作为放大器,R1为负载电阻，反馈电阻Rf用来稳定放大管的静态工作点,结构非常简单,得到了普遍的应用。但是如果使用电阻直接作为负载功耗太大,且电阻占用的版图面积大,不利于芯片集成；另外,振荡器电路没有对振荡电流的限制,很可能因为振荡能量过大而使晶振受损,功耗大大增加。针对这些不足,文中对传统Pierce结构进行了改进:(1)设计了带使能控制的、快速起振的振荡电路,以降低电路功耗；(2)设计了振荡器输出缓冲电路,对振荡器输出信号进行放大整形,调整输出信号占空比为50%,隔离负载电路的影响，以提高输出信号的稳定度；(3)设计了使能控制电路,不仅实现整体电路使能控制，还可以在电路不起振时关断部分电路,以进一步降低电路功耗。
将三级环形振荡器连接起来后得到图7的效果总图：
对比较器的单仿
图7三级环形振荡器
为了降低电源电压给振荡频率带来的影响，本设计在振荡器内部集成了一个线性稳压器。此线性稳压器一方面给振荡器电路提供电源VDD（在SoC系统中，其他模块的电源亦可由此线性稳压器提供），另一方面，该线性稳压器内部带隙电压源产生的基准电压VREF为温度补偿电路所需的的基准电压提供了来源。电路原理图如下图所示：
2.3
在现代电子电路系统中,石英晶体振荡器具有高的品质因素,能精确的定义谐振频率,提供系统标准参考源,因而扮演了极其重要的角色。晶体振荡器常常作为系统时钟,低功耗、高稳定性成为设计时要考虑的重点因素。
为了保证可靠的起振，振荡器在开始起振时的环路增益T =AF要大于 1，一般情况下取T =AF的值为 5 到 10，于是依靠振荡器在接通电源的瞬间产生的电流突变以及电路内各种微弱的噪声通过振荡环路内的选频回路选频，循环的送入放大器放大和反馈而保证了幅度的不断增长，但是随后又必须限制其增长，使振荡器达到平衡T =AF =1。使振荡器的输出信号达到幅度平衡一般可分为外稳幅和内稳幅两种方法，由于内稳幅方法是利用晶体管本身固有的非线性来实现振荡平衡，其功耗和信号的非线性失真往往比较大，所以对于低功耗和低相位噪声的应用一般都是采用外稳幅方法，它是在电路设计上采取一些外界措施帮助振荡器在起振过程中，将自动调节为平衡时T =AF =1，从而减弱晶体管的非线性工作程度，以改善输出信号波形，减少相位失真，并可以控制输出信号幅度和电路功耗的大小。
图4三环形压控振荡器
该电路的基本工作原理为: OSC振荡电路以噪声作为起振的原始激励信号,输出稳定的正弦信号:BUFFER振荡输出缓冲电路对前一级输出的正弦信号进行放大整形,得到占空比为50%的方波信号;分频电路对输出的方波信号进行频率调整,以得到适合不同频率信号源;频率调整后的方波信号通过高性能的输出缓冲电路,提高芯片的带负载能力,为各种电子系统提供准确的频率基准源。然后将得到的Vout+，以及Vout-经过差分转换电路，得到单端输出结果。
2.
考虑的使用“武汉新芯标准55nm工艺”，因此需要首先对相应管子进行单仿，经过单仿发现，在该工艺条件下，个器件的特性与此前接触的工艺下，并没有太大变化，可以仍然按照以前的方式进行使用，即不需要在电路设计中进行特别设计。下图为NMOS的I-V特性曲线图1所示：
图1
2.3
为了实现低功耗，低驱动电压，高工作频率，高稳定性的要求。本文提出了一种解决环形振荡器温度漂移的高阶补偿方案，利用MOS管的I-V特性和双极型晶体管正向电压的负温度系数，产生补偿电压进而控制环形振荡器的振荡频率。同时利用线性稳压器对电压的波动进行抑制，使其具有良好的电压特性。因此本电路在设计环形振荡器时间将利用到环形振荡器模块，电压补偿模块，温度补偿模块，工艺补偿模块，延时模块，从而实现电路的高效，高稳定性工作。
4.3.3输出频率随工艺变化产生波动27
4.4起振时间分析30
5.性能总结31
6.心得体会32
7参考文献33
8附录33
1
Foundry: XMC
Process: 55lp
Supply Voltage: 1.08~1.32V
Die Temperature: -20~85C
Output swing: rail to rail
第三届“九同方”杯
大学生集成电路设计大赛
作品报告暨华中科技大学暑期生产实习报告
比赛题目：
A LowPower48MHz Oscillator usingXMC55lp Process
（本科生组）
队名：
姓 名:
学 号：
专 业：
目录
1.题目要求3
2.设计思路3
2.1引言3
2.2各个原件的参数特性单仿3
2.3电路设计4
具体的电路工作流程如图1所示：
图2振荡器体系结构
该体系结构的工作原理分析如下:
如图1电路所示，线性稳压器线性稳压器将片外的电源电压VBAT转换成内核电压VDD，提供给电压补偿电路，温度补偿电路，工艺补偿电路，振荡器主体电路和差分转单端电路，此外，补偿电路中的基准电压VREF由线性稳压器提供。环形振荡器是产生波形的主体电路，由差分延时单元组成，其输出通过一个差分转单端的电路，将差分信号转换成适用于标准方波信号输出，其占空比为50%。补偿电路根据环境的变化，产生适当的VCTRL电压，通过偏置电路来影响环形振荡器的振荡频率，使其保持在48MHz不变。
Output frequency: 48MHz; typical,
<+-2% with trimming across process; (15%)
<+-6% across supply voltage and temperature (30%)
Duty cycle: 50%+-10% (15%)
Operation current: typical 120uA (20%)
Disable current: typical 0.5uA (10%)
Startup time: typical 5us (10%)
2
振荡器广泛应用于医学、航空、通讯和电子等领域。尤其在集成锁相环中振荡器是必不可少的电路集成压控振荡器有几个重要的性能参数如低功耗、低相位噪声和小的版图面积。本文所提到的压控振荡器都是指集成压控振荡器对于振荡频率在48MHZ的振荡器。对于振荡频率在1GHZ以下的振荡器,LC型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低,并且便于采用标准工型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低。而环形压控振荡器能够提供相对较高的相位噪声、宽泛的震荡频率范围、较小的版图面积和较低的功耗。本文采用“武汉新芯标准55nm工艺”使用环形振荡器电路实现功能。