一种适用于超低功耗MCU的振荡器设计

赵 海，谢兴华，孙 洋

（无锡华润矽科微电子有限公司，江苏无锡214000）

一种适用于超低功耗MCU的振荡器设计

赵 海，谢兴华，孙 洋

（无锡华润矽科微电子有限公司，江苏无锡214000）

提出并设计了一种新型低速振荡器，利用MCU电路内部的主时钟对低速时钟进行测试并且自校准，在几乎不增加功耗的前提下可以大大提高低速振荡器的精度和稳定性。与常规的低速振荡器相比，该结构具有功耗低、精度高、稳定性好的优点。仿真结果表明，此电路结构符合设计预期。

MCU；振荡器；低功耗；高精度；高稳定性

1 引言

当前已经进入智能互联时代，家庭中很多家电都采用了智能互联技术，例如可以通过手机遥控的窗帘、可以用wifi实时控制的扫地机器人、可以预约并且反映温度的烧水壶等等。随着物联网和智能家居的蓬勃发展，这些领域的MCU市场也迎来了飞速的增长。但与此同时，MCU的性能也面临更多的挑战，尤其是要求电路功耗越来越低。对于物联网和智能家居这种消费类电子产品，超低功耗MCU的需求也越来越大。

在MCU电路中时钟是非常重要的一部分，几乎所有的MCU电路都会配备有主时钟和副时钟。在中高端MCU中，主时钟一般采用高速振荡器+带隙基准的组合产生，稳定性和精度都很好，可用于电路的正常工作模式。而副时钟一般采用低速振荡器产生，用于电路的省电模式和待机模式。

常规低速时钟振荡器按结构划分有RC振荡器、环形振荡器、晶体振荡器等等[1]。表1列出了几种常规振荡器的特点。

表1 常规低速时钟结构对比

从表1的对比可以看出，外接晶振的晶体振荡器优点是频率的温度、电压以及工艺稳定性好，振荡频率精度高。缺点是功耗偏大、起振时间偏长，并且还需要外接元器件导致成本较高。

内置RC振荡器和内置环形振荡器，这两种结构采用的电阻电容都集成在片上，成本低、功耗低、起振速度快，但是频率受电源电压、温度和工艺的影响较大，精度及稳定性较差。为了提高精度及稳定性，常规方法是采用带隙基准提供偏置电流和偏置电压，提高振荡频率的稳定性和精度，但是这就会导致低速时钟工作时带隙基准模块也必须工作，增加了电路的整体功耗。综上所述，对于常规的低速振荡器，往往存在着功耗、稳定性和精度相矛盾的情况。

为了兼顾低速振荡器的成本、功耗、精度、稳定性和起振速度，本文设计了一种高精度低功耗低速振荡器，在几乎不影响电路成本和功耗的基础上，通过对低速时钟的实时校准，大大增加了低速时钟的稳定性和精度。

2 高精度低功耗低速振荡器

本文设计的高精度低功耗低速振荡器的思路是设计一种频率可调的低速振荡器，并可以用主时钟去实时监控该低速振荡器，系统得到测试值后对当前低速振荡器频率进行判断和计算。当频率测试值在规范内时，则不对低速振荡器进行校准。若频率测试值超过规范，则对低速振荡器的频率进行校准，校准后再用主时钟做一次频率确认，若频率没有在规范内，则继续校准，直到测试值落在规范内。当系统判断测试值符合规范后结束频率校准流程，同时频率校准模块输出校准完成标志位。工作流程如图1所示。

图1 高精度低功耗低速振荡器工作流程图

2.1 电路功能模块介绍

该高精度低功耗低速振荡器包括可调频低速振荡器、频率测试模块和频率校准三大模块，图2描述了三个模块之间的关系。可调频低速振荡器输出振荡频率FS，频率测试模块内主时钟FM对低速时钟FS进行测试，测试输出给频率校准模块，通过算法判断测试值是否符合规范。若符合规范，则结束频率校准流程，不对可调频低速振荡器进行操作。若不符合规范，频率校准模块根据算法计算得出校准值，然后输出校准值给可调频低速振荡器。主时钟FM再次对低速时钟FS进行测试，继续上述的流程，直到频率校准模块判断测试值符合规范后结束流程，频率测试模块输出校准完成标志位。

图2 振荡器总体功能模块示意图

2.2 可调频低速振荡器

可调频低速振荡器的作用是产生一个低频的周期振荡电压信号，并且频率可调。振荡器的结构只需要满足频率可调和低功耗这两个要求就可以。本文出于频率调节难易性和功耗的考虑，可调频低速振荡器采用RC振荡器结构。这里分成振荡和调频两个部分来进行表述。

2.2.1 振荡部分

振荡部分的作用就是产生一个周期振荡的电压信号。

图3 RC振荡器结构示意图

图3是基于RC振荡器基本结构设计而成[2]，可计算得到振荡周期：

其中恒定偏置电压Vbias和电流IROUTR都是由振荡器调频部分产生，电容C固定不变。

2.2.2 调频部分

调频部分的作用就是根据接收到的校准位控制信号来调节振荡器的输出频率。结构如图4所示。

图4 调频部分结构示意图

图4中P1和P2的W/L一致，N1由K个与N2相同尺寸的NMOS管并联构成。

N1和N2管栅端相连，可以得到：

代入计算可得：

忽略体效应，认为VTHN1=VTHN2可得

从计算结果可以看到，IROUTR是一个只和电阻RRXR有关的表达式。只需要对RRXR进行调整，就可以调整电流IROUTR的大小。

在图4中标示的Trim就是校准位控制信号，通过对开关的控制，改变接入电路的电阻（R1、R2…Rn），达到改变RRXR的目的，从而改变电流IROUTR。只要按照精度要求，设计足够的校准位来调节可调电阻RX，就可以校准电流Iout到一个合适的值，使得振荡频率满足精度要求。

以上是一种实现可调频低速振荡器的实例，其他同类设计只要满足频率可调和低功耗这两个要求，均可选择。

2.3 频率测试模块

频率测试模块的作用是采用精确的主时钟FM对低速时钟FS进行测试。并且将测试结果输出给频率校准模块。

实现方法示例如图5所示，采用一组计数器2对低速时钟FS进行计数，设定溢出值为A，同时采用另一组计数器1对主时钟FM进行计数。当FS计数计到A溢出时，对FM时钟进行计数的计数器1此时计到的数值设为B。然后将B这个数值输出给频率校准模块。

B这个数值代表了FS的频率。由于计数器的实际时间一致，则：所以

TFS代表FS周期，TFM代表FM周期，实际应用中无需求出实际的频率值，只要明确频率与对应测试结果的对应关系即可。

图5 频率测试模块示意图

2.4 频率校准模块

频率校准模块的作用是判断频率测试模块输出的测试值是否符合规范。若符合规范，则结束频率校准流程，并输出校准完成标志位。若不符合规范，则通过硬件算法输出合适的校准值给可调频低速振荡器，调整FS频率。

实现方法举例：频率校准模块的工作方式可以有多种，例如逐次逼近法、二分法等等。出于对电路复杂性和效率的考虑，这里采用了逐次逼近法。在接收到频率测试模块输出的测试值B后，把B和内部硬件预设的值作比较，若差值小于预设范围，则输出校准流程结束标志位，结束低速时钟校准。若差值大于预设范围，则通过硬件方法把B和预设值C进行比较，若B＜C，则输出频率校准信号，将可调频低速振荡器的频率上调一个step，然后再执行一遍频率校准流程，若此时B仍偏小，则再将可调频低速振荡器的频率上调一个step，直到B和C的差值小于预设范围为止。（若第一次比较B＞C，则每次将可调频低速振荡器的频率下调一个step，工作流程类似。）

2.5 模块版图实现

文中提到的可调频低速振荡器设计，采用CSMC 0.18μm 1P4M 3.3 V工艺，出于布图方便的考虑，将此高精度低功耗低速振荡器版图实现分为两个部分。

（1）模拟部分：可调频低速振荡器。如图6所示，面积为150μm×70μm。

（2）数字部分：频率测试模块和频率校准模块，将这两个模块放在数字电路统一布线，如图7所示，总面积为42μm×90μm。

我们采用此结构流片的一款超低功耗MCU电路总面积为2250μm×2180μm，由上面数据可知频率测试模块和频率校准模块仅占总面积的0.077%。加入或者不加入频率自校准功能，模块的工作电流都约为1.22μA（电源电压3.3 V，温度25℃，工艺选择TT，振荡频率为32.768 kHz），综上所述，认为该高精度低功耗低速振荡器相较于常规的内置RC振荡器结构而言，不会影响MCU电路的成本和功耗。

3 仿真验证

对不开启低速振荡器自校准功能及开启低速时钟自校准功能，分别进行了振荡器在不同温度、电压、工艺角下的仿真验证。

3.1 温度特性仿真

仿真目的：验证低速振荡器在开启自校准功能和不开启自校准功能在不同温度下的频率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真软件。

仿真条件：电源电压保持3.3 V，工艺选取TT，选取-40℃、-20℃、0℃、25℃、45℃、65℃、85℃这 7个温度，分别对低速振荡器开启和不开启自校准功能进行仿真，记录输出频率。

仿真结果如图8所示，不开启自校准功能时，低速振荡器输出频率受温度影响很大，变化范围大约在±20%左右。开启了自校准功能后，低速振荡器输出频率受温度影响很小，频率偏差可以控制在±1%以内。

3.2 工艺特性仿真

仿真目的：验证低速振荡器在开启自校准功能和不开启自校准功能在不同工艺角下的频率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真软件。

仿真条件：电源电压保持3.3 V，温度保持25℃，工艺选取TT、SS和FF三种，分别对低速振荡器开启和不开启自校准功能进行仿真，记录输出频率。

仿真结果如图9所示，不开启自校准功能时，低速振荡器输出频率受工艺影响很大，变化范围大约在±15%左右。开启了自校准功能后，低速振荡器输出频率受工艺影响很小，频率偏差可以控制在±1%以内。

3.3 电源电压特性仿真

仿真目的：验证低速振荡器在开启自校准功能和不开启自校准功能在不同电源电压下的频率偏差。

仿真方法：采用Cadence spectre仿真软件。

仿真条件：温度保持25℃，工艺选取TT，电源电压选取1.8 V、2 V、2.4 V、2.8 V、3 V、3.2 V、3.4 V、3.6 V这8个值，分别对低速振荡器开启和不开启自校准功能进行仿真，记录输出频率。

仿真结果如图10所示，不开启自校准功能时，低速振荡器输出频率受电源电压影响很大，变化范围大约在±10%左右。开启了自校准功能后，低速振荡器输出频率受电源电压影响很小，频率偏差可以控制在±1%以内。

从仿真数据可以看出，加入频率校准功能后振荡器输出时钟在全温全压和不同工艺条件下，频率偏差范围都可以控制在±1%以内，极大地改善了设计指标。

图6 可调频低速振荡器版图

图8 频率受工作温度的影响

图9 频率受工艺特性的影响

图10 频率受电源电压的影响

4 结论

本文提出并设计了一种新型的低速振荡器，包含可调频低速振荡器、频率校准模块和频率测试模块三个部分。在电路结构上，该低速振荡器结构简单，采用的电阻电容全都集成在电路内部，具有面积小和成本低的优点。在电路性能上，该低速振荡器结构又具有功耗低、起振快、精度高、稳定性好的优点。仿真结果表明，此低速振荡器的频率精度、稳定性和功耗符合设计要求。

采用此低速振荡器结构，可以在不增加功耗和成本的前提下，提高低速时钟的精度和稳定性。这种结构在超低功耗MCU的设计中具有非常高的实用价值。

[1]Behzad Razavi[美].模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003:391-393.

[2]华成英,童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006:437-440.

[3]李本俊,刘丽华.CMOS集成电路原理与设计[M].北京：北京邮电大学出版社，1997:26-27.

Design of an Oscillator for Ultra-Low Power MCU

ZHAO Hai,XIE Xinghua,SUN Yang
（Wuxi China Resources Semico Co.,LTD,Wuxi 214000,China）

The paper proposes a low-speed oscillator with a new structure.The low-speed oscillator uses the internal main-clock of the MCU to test and adjust itself.Although the structure can greatly improve precision and stability,it does not increase the power consumption.Compared to convention allow-speed oscillators,the new low-speed oscillator has many advantages such as high-precision,high-stability and low-power consumption.Simulation results show that it meets the expected specifications.

MCU;oscillator;low-power;high-precision;high-stability

TN402

A

1681-1070（2017）10-0017-04

2017-6-21

赵 海（1974—），男，江苏江阴人，1997年毕业于浙江大学电子工程专业，现任无锡华润矽科微电子有限公司研发总监，高级工程师，多年来一直专注于集成电路的设计与开发，负责和参与的项目先后两次获得过江苏省科技进步奖。