文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)12-0060-03
0 引言
時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路對(duì)于微控制處理單元芯片（Micro Control Unit,，MCU）的設(shè)計(jì)必不可少,。在MCU的應(yīng)用中，振蕩器源主要包括晶體振蕩器和片內(nèi)振蕩器,。晶體振蕩器可以產(chǎn)生頻率精度很高的時(shí)鐘信號(hào),，該時(shí)鐘信號(hào)頻率受工藝,、電源電壓和溫度的影響較小。但是其缺點(diǎn)在于需要占用額外的兩個(gè)管腳用以連接芯片外部的晶體,，一方面增加了芯片本身的面積和成本，另一方面增加了芯片的使用成本[1],。同時(shí)對(duì)于惡劣的外部環(huán)境的干擾,，晶體振蕩器存在停振的可能性。
在對(duì)時(shí)鐘頻率要求不太高的應(yīng)用環(huán)境中,，采用內(nèi)部的振蕩器既可以節(jié)省面積,，又可以保證其工作的可靠性。特別是對(duì)于現(xiàn)在越來(lái)越高集成的MCU芯片,，減少芯片管腳的個(gè)數(shù)是提高芯片競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段之一?，F(xiàn)今的MCU芯片正朝著高集成度、低功耗的方向發(fā)展,，出于功耗和性能的考慮,，MCU往往設(shè)計(jì)了多種工作模式。當(dāng)芯片空閑時(shí),，MCU進(jìn)入休眠模式用以節(jié)省功耗,。在休眠模式下，芯片主時(shí)鐘會(huì)被關(guān)閉,，為了使芯片能從休眠模式中被喚醒,，芯片仍然需要一個(gè)低頻的時(shí)鐘信號(hào)作為系統(tǒng)時(shí)鐘[2-4]。在這種低功耗應(yīng)用場(chǎng)合,，MCU對(duì)頻率的精度要求并不太高,，該時(shí)鐘電路的功耗成為了更重要的指標(biāo)，因此該振蕩器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為在低功耗的基礎(chǔ)上,，提高輸出頻率的精度,。
本文采用的振蕩器屬于環(huán)形振蕩器，包括一個(gè)電流偏置產(chǎn)生電路和一個(gè)環(huán)形振蕩器級(jí),。環(huán)形振蕩器級(jí)由兩種反相器組成,，這兩種反相器在電源電壓和溫度特性上呈反相關(guān)系，最終獲得電源電壓和溫度補(bǔ)償的輸出頻率,。
1 電路設(shè)計(jì)與分析
1.1 電路結(jié)構(gòu)與原理
本文設(shè)計(jì)的振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由基準(zhǔn)電流源、恒流源充放電以及比較器組成,。
由基準(zhǔn)電流源電路產(chǎn)生與溫度成正比（Proportional to Absolute Temperature,，PTAT）電流，該電流給反相器鏈中的一級(jí)或幾級(jí)提供電流,，反相器鏈中的其他反相器則為普通反相器,。
圖1中的第一級(jí)反相器為電流受限的反相器,，INV2和INV3為普通反相器。第一級(jí)受限的電流來(lái)自于自偏置基準(zhǔn)電流源,，該電流為PTAT電流,，因此INV1對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的充電和放電電流都受到PTAT電流限制。假設(shè)在典型電壓下,，后級(jí)反相器翻轉(zhuǎn)的閾值電壓為VTH,，INV1的輸出節(jié)點(diǎn)處電容為C1，則INV1從GND充電到VTH的時(shí)間為VTH×C1/I,，放電時(shí)間則為(VDD-VTH)×C1/I,。當(dāng)溫度降低時(shí)，PTAT電流變小,，INV的充放電時(shí)間變長(zhǎng),；溫度升高時(shí)，PTAT電流變大,，INV的充放電時(shí)間變短,，因此INV1的傳播延時(shí)T1與溫度成反比。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時(shí),，后級(jí)反相器的翻轉(zhuǎn)電壓會(huì)受到電源電壓影響,，電源電壓升高時(shí)，VTH增大,；電源電壓降低時(shí),，VTH減小，因此INV1的傳播延時(shí)T1與電源電壓之間的關(guān)系為電源電壓越高,，T1越大,。總結(jié)起來(lái),，受限于PTAT電流反相器的傳播延時(shí)與溫度成反比,，與電源電壓成正比。
對(duì)于普通反相器,，隨著溫度的升高,，MOS管載流子遷移率下降，普通反相器的傳播延時(shí)為正溫度系數(shù),，而CMOS反相器傳播延時(shí)與電源電壓之間為反相關(guān)系[5],。總結(jié)起來(lái),，普通CMOS反相器的傳播延時(shí)與溫度呈正比,，與電源電壓呈反比。
不難發(fā)現(xiàn),，受限于PTAT電流的反相器與普通CMOS反相器傳播延時(shí)的溫度特性和電源電壓特性是相反的,，因此在環(huán)形振蕩器中采用這兩種類型的反相器,，就可以對(duì)溫度和電源電壓的影響結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)節(jié)每種反相器的級(jí)數(shù)和PTAT電流鏡比例來(lái)優(yōu)化溫度和電壓補(bǔ)償效果,，最終得到良好的溫度特性和電源電壓特性的時(shí)鐘頻率,。
由于電流受限反相器的輸出信號(hào)變化較慢，因此后面的反相器采用倒寬長(zhǎng)比的MOS管組成,，用以優(yōu)化功耗,，并逐級(jí)增大寬長(zhǎng)比，達(dá)到最好的功耗優(yōu)化,。由于該振蕩器電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，靜態(tài)電流消耗支路較少,，因此可以實(shí)現(xiàn)較低功耗,。
1.2 與電源電壓無(wú)關(guān)的電流源
與電源電壓無(wú)關(guān)電流源電路圖如圖2所示，該電流源的核心電路為由M1～M6以及R1組成的與電源電壓無(wú)關(guān)的電流源,，MS1～MS4則為啟動(dòng)電路[6],。M1和M2工作在亞閾值區(qū)，R1上的電壓為M1與M2的VGS差值,，該電壓為PTAT電壓,，經(jīng)過(guò)R1后得到PTAT電流。正常工作時(shí),，M1/2柵極電壓約一個(gè)閾值電壓,，MS4管開(kāi)啟，將MS3管柵極電壓拉低,，從而MS3管關(guān)斷,，MS3漏極沒(méi)有電流，不影響電流源電路正常工作,。當(dāng)電流源處于異常零狀態(tài)時(shí),，M5/6管的柵極為高電平，M1/2管的柵極電壓為低電平,。MS4管關(guān)斷,，MS2支路導(dǎo)通，從而MS3管開(kāi)啟,，對(duì)M6管柵漏連接節(jié)點(diǎn)下拉電流,，將M5/6管的柵極拉低，使得電流源電路脫離零穩(wěn)態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài),。
電流源支路上產(chǎn)生的電流為M1與M2的ΔVGS除以電阻得到的值,，其中，為了進(jìn)一步提高電流與電源電壓的不相關(guān)性,，加入Cascode管M3和M4,。
2 仿真和測(cè)試結(jié)果
該振蕩器采用的是0.18 m CMOS工藝設(shè)計(jì),，使用Cadence Spectre工具對(duì)電路進(jìn)行仿真，振蕩器輸出頻率與電源電壓和溫度之間的關(guān)系如圖3所示,，電流仿真結(jié)果如圖4所示,。
從仿真結(jié)果可以看出，在MCU的-40 ℃~85 ℃全溫區(qū)工作范圍內(nèi),，振蕩器的偏差不大,，在不同的電源電壓情況下，溫度補(bǔ)償?shù)男Ч灰粯?，例如?.5 V電源電壓情況下,，溫度補(bǔ)償?shù)男Ч詈谩Ｔ陔姵毓╇姷秸９╇姷碾娫措妷悍秶?3.5 V~5.5 V)內(nèi),，溫度從-40 ℃變化至85 ℃,，其輸出頻率從288 kHz變化到305 kHz。典型條件(電源電壓5 V及溫度27 ℃)下振蕩器的輸出頻率為303 kHz,，因此電源電壓和溫度引起的振蕩頻率偏差為-5%~0.7%,。
從圖4中可以看到在電源電壓從3.5 V~5.5 V以及溫度從-40 ℃~85 ℃的變化范圍內(nèi)，平均電流消耗在1.2 A~3.3 A范圍內(nèi),，電源電壓越高,，工作電流越大，溫度越高,，工作電流越大,。
對(duì)18顆芯片進(jìn)行了典型環(huán)境下的輸出頻率測(cè)試，由于寄生電容的影響,，環(huán)形振蕩器的頻率測(cè)試結(jié)果比仿真結(jié)果低,。對(duì)這18芯片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分布，如圖5所示,，可以看到,，輸出頻率主要集中在265 kHz~270 kHz的頻率范圍內(nèi)。圖6為輸出頻率測(cè)試結(jié)果,，圖7為工作電流測(cè)試結(jié)果,。
從圖6中可以看到在不同電壓下，溫度曲線基本呈凹形,，從常溫往高溫階段變化較小,，低溫到常溫階段頻率變化更大，在3.5 V~5.5 V電源電壓內(nèi),，-40 ℃~85 ℃的溫度變化內(nèi),，輸出頻率的偏差在-2.3%~6.5%之間。
該工作電流測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近，電源電壓越高,，工作電流越大,，而測(cè)試結(jié)果中的低溫時(shí)工作電流偏大的原因是在低溫時(shí)振蕩頻率增大，因此帶來(lái)了更多的動(dòng)態(tài)功耗,，在3.5 V~5.5 V電源電壓,、-40 ℃~85 ℃的溫度變化內(nèi)，振蕩器工作電流在1.25 ?滋A~3.25 ?滋A之內(nèi),。
3 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)振蕩器電路采用兩種反相器構(gòu)成環(huán)形振蕩器,。一種是受限于PTAT電流的反相器，另一種是普通CMOS反相器,。通過(guò)利用電源電壓和溫度對(duì)這兩種反相器的傳輸延時(shí)影響互為相反的特性,，使得環(huán)形振蕩器輸出頻率得到補(bǔ)償，由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，電流消耗支路較少,，因此可以實(shí)現(xiàn)較低功耗。最后測(cè)試結(jié)果證明,，在較寬的電源電壓和溫度范圍內(nèi)，振蕩器能產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的方波信號(hào),，整體功耗消耗較小,，能滿足MCU對(duì)低功耗低頻振蕩器的要求。除了MCU芯片,，該振蕩器還適用其他對(duì)功耗要求較高的低頻應(yīng)用場(chǎng)合,。
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