一种新型电容修调RC振荡器

王文龙,洪树亮

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070)

一种新型电容修调RC振荡器

王文龙,洪树亮

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州 730070)

为了降低RC振荡器的功耗,并提高振荡频率的稳定性,提出一种新型的RC振荡器电路。该振荡器采用单比较器,结合电容修调结构。基于0.35 μm BCD工艺及Hspice 仿真工具,完成了电路的设计和仿真,仿真结果表明,该振荡器正常工作频率为51 kHz,由于温度和电源电压变异,频率变化范围为47.54～53.97 kHz,最大功耗电流为2.1 μA,面积为150 μm×180 μm,具有较低的功耗,可以提供相对稳定的频率,能够应用于电源管理芯片。

RC振荡器;低功耗;电容修调;误差

随着便携式电子设备的应用,电池容量还是无法满足其长时间工作的要求,这就需要采用专业的电源管理芯片来优化电源的利用率。在电源管理芯片中,RC振荡器常被用于产生时钟信号。其具有结构简单、成本低、功耗小、频率可调等优点,得到了广泛应用。但在实际应用中,工艺、温度、电源电压的变异会对振荡器的频率产生较大影响,无法满足一些高精度的要求。然而精度和功耗相互矛盾,这就需要寻找其他方法来增加精度。在一些文献中可以看到有些设计使用外置电阻,其精度达1%,从而提高了频率精度[1-2],但这会增加面积和成本;有些设计采用内部电阻修调的方式来稳定频率[3];也有对比较器失调电压进行补偿来增加精度[4]。本文在分析传统RC振荡器的基础上,设计了一种低功耗的RC振荡器,采用单比较器结合电容修调结构,产生频率为51 kHz的方波信号。

1 传统RC振荡器

传统RC振荡器如图1所示[5],其中C为充放电电容,VC为电容C上电压,VH和VL为比较器C1和C2的参考电压,RS触发器由或非门组成。

图1 传统RC振荡器

开关S1、S2分别由Q和QB控制,高电平时闭合。假设上电开始时,VC=0,那么S=0,R=1,Q=0,QB=1,S1闭合,S2断开,电容C充电,VC上升;当VLVH时,S=1,R=0,Q=1,QB=0,C开始放电;当VL

(1)

(2)

由式(2)可知,振荡频率主要由电容充放电电流和电容的大小决定,其占空比可根据充放电电流大小调节。但比较器和RS触发器会产生延时,降低振荡频率的精度。

2 电容修调RC振荡器

2.1 系统框图

由图2可以看出,设计中电流镜产生稳定的充电电流,比较器和时钟发生器部分产生周期性时钟信号。时钟发生器可以由Schmitt触发器和T触发器构成。这里只利用了充电时间来构成振荡周期,而没有利用放电时间,也就减小了比较器延时对频率的影响。

(3)

图2 电容修调RC振荡器框图

式(3)中C为poly电容;Ib为偏置电流;K为充放电电流I0和偏置电流Ib的比值,VREF为比较器的正端参考电压。

2.2 工作原理

图3为电容修调RC振荡器电路图。初始时电容电压为零,VOUT=0,电流镜镜像的电流I0对电容网络进行充电,当电容电压超过基准电压VREF后,比较器翻转,VOUT由0变为1,CK由0变为1,N6导通,将电容上的电荷释放掉,比较器再次翻转,CK由1变0。电容上电平重新从0开始充电。如此循环,所得CK为周期信号,为得到等占空比时钟,将CK通过T触发器得到时钟信号CK1。由于寄生效应、失配、增益、失调等影响,C,VREF,K的变异会改变振荡频率。设计通过4位加权电容线性调节由于上述变异产生的频率变化。由工艺厂的数据可知,I_RC可能产生±30%的变异,电容变异为±15%,所以总变异约为±45%,通过4位加权电容进行调节,每位取6.25%,则频率可调范围为±50%。最终可使振荡频率稳定在51 kHz。图4为施密特触发器电路[6],该施密特触发器增加了迟滞电压。

图3 电容修调RC振荡器电路

图4 Schmitt 触发器

为减小寄生效应产生的误差,可以通过增加电容C来减小寄生电容的影响,通过增大充电电流来减小电流失配产生的误差,但增加电流要增加功耗,所以还要折中考虑功耗的大小。

这时从式(3)中可以看出,只有VREF对振荡频率有较大的影响,而这主要体现在比较器延时产生的影响。td延时是由于寄生电容和其他一些因素引起的。为估算比较器的延时,在图3的比较器中,总的延时为每一级信号通路延时总和。假设OUT1和OUT节点的寄生电容为C1、C2,比较器延时为

(4)

式(4)中,ΔV1=VREF,ΔV2=VCC为节点OUT1和OUT的电压摆幅,I1、I2为流过C1、C2的电流。可以看出比较器延时时间取决于C1、C2和比较器的偏置电流Ib。通过精心设计比较器N3,N4,P3,P4的尺寸,合理地进行版图设计,可以减小它们的寄生效应,从而减小频率的变异。

图5 仿真波形

表1 频率与功耗随电压、温度的变化仿真结果

图6 电容修调RC振荡器版图

开关MOS管N3的电荷注入也会产生误差。不过在低频设计中它们通常可以忽略不计,在高频设计中则要考虑它们的影响,通过增加冗余MOS管来消除。

图5为本次设计的振荡频率的仿真波形图。表1为振荡频率与功耗随电压、温度变化的仿真结果。可以看出振荡频率随电源电压变化还是很大的,因此可以设计出低电源电压灵敏度的RC振荡器[7]。图6为经过优化的电容修调RC振荡器版图。另外还有Giuseppe等人提出的另一种低压低功耗RC振荡器[8]。

3 结束语

本文设计了一种单比较器型低功耗的RC振荡器,振荡频率为51 kHz,占空比为50%。采用0.35 μm BCD工艺仿真,结果表明在电源电压在2.2～5.6 V,温度变化在-40～90 ℃,频率变化为47.54～53.97 kHz,设计目标51 kHz的误差为-6.8%～5.8%,最大功耗电流为2.1 μA,面积为150×180 μm,达到了设计目标。

[1] Lasanen K,Raisanen-Ruotsalainen E,Kostamovaara J.A 1-V self adjusting 5 MHz CMOS RC-oscillator[J].Circuits and Systems,2002(4):377-380.

[2] Bala F,Nandy T.Programmable high frequency RC oscillator[C].India:VLSI Design,18th International Conference,2005.

[3] Yu S,Chen Yimin,Guo Weidong,et al.A digital-trim controlled on-chip RC oscillator[C].Dayton,OH:Proceedings of 44th IEEE 2001 Midwest Symposium,2001.

[4] Paidimarri A,Griffith D,Wang A.A 120 nW 18.5 kHz RC oscillator with comparator offset cancellation for ±0.25% temperature stability[C].San Francisco,CA:Solid-State Circuits Conference,2013.

[5] Flynn M P,Lidholm S U.A 1.2 μm CMOS current-controlled oscillator[J].Solid-State Circuits,1992,27(3):982-987.

[6] Allen.CMOS模拟集成电路设计[M].2版.冯军,李智群,译.北京:电子工业出版社,2011.

[7] 徐海峰,王春锴,邵丙铣.适用于 RFID 芯片CMOS振荡器[J].微电子学与计算机,2008,25(6):124-127.

[8] Giuseppe,Francesco,Giuseppe.Low-voltage low-power CMOS oscillator with low temperature and process sensitivity[C].New Orleans:IEEE International Symposium,2007.

A Novel Capacitor TrimmingRCOscillator

WANG Wenlong,HONG Shuliang

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

In order to reduce power consumption and improve stability of frequency forRCoscillator,a novelRCoscillator is proposed.It uses a single comparator and trimming capacitor structure.An accurate design and simulation were made based on 0.35 μm BCD process and Hspice.The simulation results show that the normal frequency is 51 kHz.Because of temperature and supply voltage variations,the frequency can change from 47.54 kHz to 53.97 kHz.It consumes 2.1 μA.The final die size is 150 μm×180μm.It has low power consumption and provides a relatively stable frequency.The oscillator is applicable for power management ICs.

RCoscillator;low power consumption;capacitor trimming;error

2014- 10- 31

王文龙(1988—),男,硕士研究生。研究方向:模拟集成电路设计。E-mail:w_wenlong@126.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.020

TN752

A

1007-7820(2015)05-068-03