一种低功耗频率稳定的CMOS环形振荡器设计

摘 要：COMS 环形振荡器具有版图面积小，频率调谐范围大、线性度好等优点，可作为系统时钟
的关键部件，广泛应用于电子及通信系统中。对传统的环形振荡器及其频率稳定的改进方式进行介
绍，设计新的延时单元，搭建环形振荡器电路结构，实现了一种频率稳定的 CMOS 环形振荡器。该振
荡器电路结构简单，易于集成。通过 0.25滋m CMOS 工艺仿真对比分析，环形振荡器功耗降低了 40%，
Key words: Low power consumption曰Oscillator曰Ring oscillator曰Delay unit曰Oscillation frequency曰 Clock
1ห้องสมุดไป่ตู้言
随着半导体行业发展，CMOS 工艺生产技术提 高，芯片面积越来越小。对芯片内部各模块的低功 耗、高稳定、高精度要求也越来越高[1]。振荡器模块作
同时在工作电压变化 28%条件下，输出频率变化为 5%，频率相对稳定。实现对振荡器频率稳定性的
改进又降低了振荡器的功耗。
关键词：低功耗；振荡器；环形振荡器；延时单元；振荡频率；时钟
DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.007
中图分类号：TN402
文献标识码：A
文章编号：1002-2279-（2017）05-0023-04
图 1 典型的环形振荡器结构图
这种环形振荡器中的振荡单元电路为反相器， 且反相的次数必须为奇数，一般是 5 级[6]，但 由于 COMS 门电路的传输延时极短，难以获得较低的振 荡频率。为了降低频率，在每个反相器输出端添加 了负载电容，以 3 级振荡器单元为例，如图 2 和图 3 所示。
. 24.
微处理机
2017 年
被广泛应用于工业产品和学术设计中[3]。然而，COMS 环形振荡器在功耗和相位噪声及频率稳定性等方 面，仍需要更加深入的研究[4]。
2 传统环形振荡器介绍
环形振荡器由环路中若干振荡电路单元组成， 每个电路单元由有源器件构成。如果环形振荡器满 足“巴克豪森准则”将发生振荡，产生周期变化的电 压信号[5]。典型结构如图 1 所示。
Liberation Army, Shenyang 110045, China冤
Abstract院CMOS Ring Oscillator has many advantages such as small layout area袁large frequency range and good linearity. It is the important part of the system clock and is widely used in the electronic and communication systems. The traditional ring oscillator and its frequency stability improvement method are introduced, and by designing a new delay unit and constructing the ring oscillator circuit structure, a frequency stabilized CMOS ring oscillator is realized. The oscillator has advantages of simple structure and easy integration, and by the comparison of 0.25 滋m CMOS process simulation analysis, it has been found that the power consumption of the ring oscillator has been reduced by 40%袁and while the supply voltage changes by 28% , the output frequency changes by 5%. The frequency is relatively stable.The oscillator not only achieves the improvement of frequency stability袁but also meets requires of reducing power con鄄 sumption.
为系统时钟产生的关键部件，广泛应用于电子及通 信系统中，尤其在锁相环电路、时钟恢复电路中更是 重中之重[2]。因此，以 COMS 工艺为基础的环形振荡 器成为研究热点。环形振荡器与数字工艺兼容，版图 面积小，且具有频率调谐范围大、线性度好等优点，
作者简介:张可（1985—）,男,黑龙江省哈尔滨人，工程师，主研方向：集成电路设计。
Design of a CMOS Ring Oscillator with Low Power and Frequency Stability
Zhang Ke1袁Dai Xuefeng2袁Zhang Haitao3
渊1.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shenyang 11003, China曰2.Physics Department, Collage of Sciences, Northeast University, Shenyang 110004, China曰3.The 95979 A rmy of Chinese People爷s
第5期 2051期7 年 10 月
微处理机 MICROPROCESSORS
. . No. 5
Oct. ，2017
一种低功耗频率稳定的 CMOS 环形振荡器设计
张 可 1，代雪峰 2，张海涛 3
（1. 中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032；2. 东北大学理学院物理系，沈阳 110004； 3. 中国人民解放军 95979 部队，沈阳 110045）