一种应用于AM—OLED驱动芯片中的高精度RC振荡器

杨鑫波　陈林林

摘要：本文基于常见RC振荡器电路结构，在分析其输出频率不稳定因素的基础上提出了一种高精度温度补偿RC振荡电路，并设计了数字修调电路校正工艺角偏差，设计毛刺滤除电路消除起振毛刺。基于UMC的0.162μm工艺，振荡器输出中心频率为20MHz，在-40℃～125℃的温度范围内其稳定性在±1.4%以内。该电路已在一款AM-OLED驱动芯片中使用，作为数字电路和电荷泵模块的工作时钟。

关键词： RC振荡器；温度补偿；数字修调；毛刺滤除

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）05-0256-03

Abstract： Based on theoretical analysis of unstable output frequency in the traditional RC oscillator， an oscillator structure with high precision was proposed. Moreover， the process corner and initial glitch are considered and resolved. Based on UMC 0.162μm process ，the results showed that the proposed circ- uit could generate a sqare-wave signal with 20MHz frequency， and it had a frequency variation within ±1.4% when the temperature changed from -40℃ to 125℃. This circuit has already used in an AM-OLED driving chip as the work clock for digital circuit and charge-pump module.

Key words： RC oscillator； digital calibration； glitch filter

1 概述

RC振荡器以其结构简单、成本较低、功耗较小、频率易调和易于集成等优点而广泛应用在数模混合电路系统中[1，2]。但在实际应用中其输出频率也存在稳定性较差，易受电源电压、环境温度、元器件的电学特性影响的缺点。在一些高精度要求的应用中，常见RC振荡器性能不能满足要求，因此如何提高稳定性就成为RC振荡器重要的研究发展方向[3]。

2 经典RC振荡器

其中，（4）式是电路可以工作的最高频率，但这种情况下的频率不可调且稳定性差，因此一般会使电路工作在（5）式情况下。由（5）式可知，时钟周期T的精度受td、C和IC的影响（Vr来自基准电压，可忽略），也即是受温度和工艺角变化影响[5]。为了减小这些因素的影响本文提出的振荡器电路主要作了以下几方面的改进：1）设计数字修调电路，通过寄存器配置电流IC的大小，用来校正工艺偏差引起的输出频率漂移；2）设计用来调节电流IC随温度变化曲线的斜率来补偿输出频率的温度特性；3）设计毛刺消除电路来抑制起振初期时钟毛刺，避免对后级电路产生影响。

3.1 工艺角补偿

实际芯片在流片过程中由于工艺角偏差会导致不同批次的芯片输出中心频率出现漂移，因此设计了数字修调电路来调整频率，如图3所示。

图3中，IS是输入电流源，充放电电流IC通过两级修调，第一级是S0～S3，第二级是S4～S9，采用两级修调的原因是为了减少管子数量以节约面积。当S0～S3为1111，S4～S9为000000时，IC最小，此时输出频率最低；当S0～S3为0000，S4～S9为111111时，IC最大，此时输出频率最高；设计时寄存器一般默认配置为中间值，即S0～S9为0111100000，以保证中心频率在两个方向上有最大的调整范围。此外，电路中的大电容C3和C4用来稳定关键节点电压，提高电路稳定性。

3.2 温度补偿

（4）式中影响时钟频率的因素有td、C和IC，要达到较好的温度补偿效果，可以利用这几个量不同的温度特性相互抵消补偿。采用UMC的0.162μm工艺，电容C随温度升高而减小，导致频率上升，而td随温度升高而增大，导致频率下降，但总得来看，td的增大不足以抵消C的减小，这就需要通过调整充电电流IC的温度特性来进一步补偿。由图3可知，IC是由IS镜像而来，因此其与IS有相同的温度特性。本文设计的IS温度曲线斜率可调电路如图4所示。

IS是三种电流按不同比例求和而成，分别是与温度成正比的电流IPTAT、与温度成反比的电流ICTAT和与温度无关的电流Iref。通过配置寄存器B0～B3和A0～A2可以调节IS随温度变化曲线的斜率。当A0～A2为000，B0～B3为1111时，IS随温度升高而减小且下降速度最快，反之则最慢。合适的寄存器配置可以很好的补偿输出频率的正温度特性，使其在全温范围内相对稳定。

3.3 起振毛刺滤除电路

由于振荡器在起振初期电路中各节点电压没有完全建立，输出波形会有一段时间的毛刺产生，。本文设计专门的电路来滤除该毛刺，如图5所示。

图5中，en是振荡器起振使能，高电平有效，起振有效后en的一路使能振荡电路，输出中间时钟信号V03，其前几个周期可能会有毛刺，而另一路经delay、施密特触发器和D触发器处理，得到输出使能CLK_EN，在该输出使能有效前，最终时钟信号CLK被屏蔽。通过调节电路中delay单元延时大小，可以保证最终输出CLK是没有毛刺的稳定时钟，可以被后级数字逻辑直接使用。

4 仿真结果及版图设计

4.1 仿真结果

采用UMC的0.162μm工艺，输出中心频率为20MHz。表1给出了温度补偿结果，图6是毛刺滤除电路效果。由表1可知输出频率受温度变化的影响在±1.4%以内。由图6可以看出起振初期的时钟信号有一段时间的不稳定状态，经过毛刺滤除电路处理后，最终得到稳定的输出时钟。

4.2 版图设计

本文设计的振荡器电路基于UMC的0.162μm工艺绘制版图，最终的版图如图7所示。由于振荡器电路结构的严格对称性，电路中有大量的电流镜，因此版图设计中要特别注意布局上的对称要求，此外还要做好保护隔离等措施。

5 总结

本文在介绍经典RC振荡器工作原理，分析其输出频率不稳定因素的基础上提出了一种高精度的振荡器电路，采用充放电电流斜率调节进行温度补偿，并设计了数字修调电路和毛刺滤除电路来校正工艺角偏差和消除起振毛刺。本文设计的振荡器输出中心频率为20MHz，在-40℃～125℃的温度范围内其稳定性在±1.4%以内。本设计电路已在一款AM-OLED驱动芯片中使用，作为数字电路和电荷泵模块的工作时钟。

参考文献：

[1] 拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，译.西安：西安交通大学出版社，2002.

[2] Gray Paul R， Hurst Paul J， Lewis Stephen H， Meyer Robert G. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M]. Fourth Edition， John Wiley & Sons Pte. LtdPublish， 2001.

[3] 刘超，李昌红，于臻，等. 一种低电源电压灵敏度RC振荡器的设计[J]. 微电子学，2012，42（1）：30-33

[4] 周小军，李平，杜涛. 一种高精度数字可调RC振荡器设计[J]. 电子科技，2007（9）： 13-16， 21.

[5] Bo Wang， Myeong-Lyong Ko， Qi Yan. “A high-accuracy CMOS on-chip RC oscillator[C]. 10th IEEE Int conf Sol Sta Integr Circ Tech. Shanghai， China. 2010： 400-402.