一种高精度高稳定性的片内振荡电路设计

摘" 要： 作为系统时钟源，振荡电路的频率特性会影响芯片工作性能。为提高片内振荡器输出时钟的精度及稳定性，设计一种基于RC结构的振荡电路。该振荡电路采用带隙基准产生电容充电电流及基准电压，通过调整镜像管比例进行频率粗调校正，通过调整基准电压大小和温度系数以实现频率细调校正及温度特性校正。电路基于55 nm CMOS工艺设计实现，仿真结果表明，典型条件下电路工作输出为30 MHz，50%占空比时钟，在1.6～5.5 V、-40～125 ℃工作范围内，振荡频率偏移位0.6%以内，中心校准精度为0.5%，可作为片内高精度时钟源或参考时钟。

关键词： 振荡电路； RC结构； 基准电路； 频率校正； 温度校正； 校准精度； 高稳定性

中图分类号： TN75⁃34" " " " " " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " " 文章编号： 1004⁃373X（2024）08⁃0095⁃06

Design of a high precision and high stability on⁃chip oscillator circuit

ZONG Jiajia， HUANG Jian， LAI Pengfei， LI Liang

（Wuxi i⁃CORE Electronics Co.， Ltd.， Wuxi 214000， China）

Abstract： As the clock source of the system， the frequency characteristics of the oscillation circuit can affect the operational performance of the chip. In order to improve the precision and the stability of on⁃chip oscillator output clock， an oscillation ciruit based on RC structure is designed. The bandgap reference is used in the oscillation circuit to generate capacitor charging current and reference voltage， and the mirror tube ratio is adjusted for the frequency coarse adjustment correction. By adjusting the reference voltage size and temperature coefficient， the frequency fine adjustment correction and temperature characteristic correction are achieved. The circuit is designed based on the 55 nm CMOS process， and the simulation results prove that， under typical conditions， the working output of the circuit is 30 MHz， with a 50% duty cycle clock. It operates within the range of 1.6 V to 5.5 V and -40 ℃ to 125 ℃， with an oscillation frequency offset of 0.6% and a center calibration accuracy of 0.5%. The circuit can be used as a high⁃precision on⁃chip clock source or reference clock.

Keywords： oscillator circuit; RC structure; reference circuit; frequency correction; temperature correction; calibration accuracy; high stability

0" 引" 言

作为支持芯片工作的时钟源，各类振荡电路在MCU中有着广泛的应用，为应对不同工作场景，对振荡电路的功耗、精度、稳定性、面积等性能也提出了不同要求[1⁃2]。片内振荡电路结构包括环形振荡、LC振荡、RC振荡[3⁃4]，LC振荡结构受限于面积和成本，应用较少[5]；环形振荡虽功耗低、面积小，但由于频率稳定性受限，常应用于功耗低及频率精度要求较低的场景；RC振荡结构在面积上优于LC结构，在频率特性上优于环形振荡结构，应用更为广泛[6⁃7]。不断提升RC振荡结构的频率特性，为芯片工作提供高精度、高稳定性的时钟是改善芯片性能的重要研究方向[8⁃9]。

本文以常见的RC振荡结构为基础，通过增加对基准电压及充电电流的修调实现对输出时钟频率的校正，减小芯片在生产过程中引入的频率偏差，保证频率精度。同时，为应对芯片的不同工作环境要求，并减小工作电压偏差、高/低温环境条件或散热、老化导致的频率稳定性和精度问题，通过调整供电方式和修调充放电电流温度系数进行温度特性校正。

1" 电路设计

本文设计的振荡电路结构如图1所示，振荡主体采用典型的RC振荡结构，内置2个LDO分别为基准及振荡电路供电，隔离振荡电路纹波，减小外部电源变化对振荡频率的影响。基准电路产生基准电压、电流，由修调网络校正后分别作为后级比较器参考电压及电容充放电电流，以产生周期翻转的电压，处理后得到50%占空比时钟信号。

1.1" RC振荡电路

本文振荡电路核心采用RC振荡结构[10⁃11]，电路原理图如图2所示。RS锁存器输入振荡使能信号，CLK起始状态为高电平，P2、N1导通，C1放电通路打开，C2由电流源充电，电荷不断累积至使CMP2输出翻转，CLK翻转为低电平，P2、N1关断，P1、N2导通，电流源更改为向C1充电直至CMP1输出由低电平翻转为高电平，CLK再次翻转为高电平。以上过程不断重复，产生周期性翻转的时钟信号输出。该电路输出信号周期与电容充电时间相关，无需考虑比较器迟滞的影响。此外，双边比较器的对称结构设计可以将时钟占空比较好地稳定在50%，减小振荡频率波动。

根据电容累积电荷量公式，可以推导出RC振荡频率公式为：

[0VREFdU=1C0tIcharge dt]

[f=12t=Icharge2CVREF，" C1=C2=C]

可见，充电电流和基准电压的性能直接影响频率稳定性。因此，合理设计充电电流及基准电压变化率使二者实现相互补偿，可以极大程度上保证频率的稳定。本文电路设计采用基准源[12]分别产生恒定电流及基准电压，作为充电电流和比较器基准。

1.2" 基准电路

图3所示为基准电路的基本结构原理，运放钳位a、b节点电压相同，恒流源镜像产生偏置电流、基准电流及基准电压。基准电压公式如下：

[VREF=VTlnNR1+VBE0R2·R]

采用基准电路结构可省略一级运放，更改R1、R2比值，实现对基准电压、电流的温漂修调；更改输出支路电阻R可获得不同的零温漂电压VREF。相较于基础带隙基准结构，增加电阻R2作为负温漂电压的系数，可将零温漂电压由固定值更改为可变值，这对于后续进行基准电压修调是有意义的，能够避免校准基准电压时造成其温度曲线偏移，减小电路校准导致的温度特性离散，也有利于提高电路温度校准的精度。基准温漂曲线见图4。

1.3" 修调电路

受到芯片制造工艺的限制，不可避免地会引入误差，而在电路设计中增加频率修调电路是提高振荡频率精度、保证芯片良好的常用手段[13]。根据1.1节推算的RC振荡频率公式，更改充电电流Icharge、电容C和基准电压VREF均可调整振荡输出频率。本文电路RC振荡采用双边比较器对称结构，充电电容为单边结构的2倍，但采用电容校正方案会比电流校正及电压校正占用更多版图面积，故电路设计采用修调充电电流大小实现频率粗调，通过修调比较器基准电压大小进行频率细调。同时，为了修正频率温度偏移误差，增加频率温度校正，通过调整基准电压的温度系数补偿电容、基准、比较器速度等部分的温度偏移。

1.3.1" 频率粗调校正

粗调较正通过调整接入镜像管根数来修调充电电流大小，如图5所示。其中P0为固定接入的镜像管，P1～Pn分别由trim1～trimn控制导通/关断，共可产生2n级电流输出，频率校准格点及校准范围分别为：

[fstep=m2CVREFm0∙I0]

[m1I02CVREFm0≤f≤m1+m2n-1I02CVREFm0]

通常，为了实现频率的双向调节，取校准默认配置位为振荡中心频率，则粗调校正精度为：

[fa=mm1+2n-1m]

频率的粗调校准主要影响振荡器的频率可校范围，设计范围过小会导致中心频率偏移，过大则影响面积。本文考虑工艺差异，设计频率校准范围大于±30%，粗调校准设计参数如表1所示。

1.3.2" 频率细调校正

频率细调校正通过更改输出支路电阻值修调输出基准电压的大小，如图6所示。输出支路电阻包含固定接入电阻及可校准电阻，为了版图匹配，将可校准电阻均匀拆分为n级，此时，基准电压的校准格点及精度均匀，对应频率的校准格点随接入电阻值变化。

基准电压校正格点及校准范围公式如下：

[VREFstep=m2m0∙I0∙R]

[m2m0∙I0∙R0≤VREF≤m2m0∙I0∙nR+R0]

基准电压校准精度表示为：

[VREFa=RR0+n2+1∙R]

细调校正格点直接影响振荡器的频率校准精度，格点越小，校准引入的频率误差越小，振荡精度越高，但需要同步减小粗调校准格点以避免校准曲线不连续。每段校准曲线起点由粗调校正确定，斜率及终点由细调校正确定。为保证整体校准范围内所有频率点均可校，每段粗调曲线必须存在重合，理论上，重合范围越大，校准阈值内的可校频点越多，校准精度越高。

结合已推出的粗调、细调格点及输出频率公式，计算出细调校准位数n、细调校准电阻R和R0、粗调校准镜像管根数m1与m取值需满足：

[m1∙n∙Rgt;m∙R0]

设计时m通常取值为1，也即n、[RR0]、[m1m]满足以下比例关系：

[m1∙RR0gt;1n]

不等式左侧取值越大，右侧取值越小，校准曲线重合点越多，频率校正误差越小。综上，适当增加粗调校准位数优化可以得到足够的频率校正范围。

细调校准设计参数如表2所示。

1.3.3" 频率温度校正

以上电路结构通过引入带隙基准为振荡电路提供恒定的充电电流及基准电压，二者的温度偏移控制在较小的范围；同时，可适当补偿电路其他结构，如电容、比较器引入的非理想情况下的温度偏移，以提高振荡器输出频率的稳定性。但实际生产应用过程中无法保证理想条件下的参数特性，版图镜像管、电阻、电容的匹配对称设计不合理，生产时工艺的偏差、扩散影响、机械应力等多种因素都会带来时钟频率温漂的不确定性，而增加温度校正方案可以进一步减小频率偏移，提高时钟精度。

根据上文推出的基准公式调整输出支路电阻R的温度特性，可以在不影响充电电流温漂的前提下，通过更改基准电压、温度特性的方式更改输出时钟的温度特性。图7所示为频率温度校正电路原理图。为了不影响频率细调校正，保持基准电压输出支路总电阻不变，抽取部分固定接入电阻更改为温度校正电阻，分为等值的正温度系数电阻和负温度系数电阻两部分，通过开关管控制接入的正、负温度系数电阻比值更改VREF的温度特性，每一级电阻Rt采用等值设计，电阻类型选择综合温度系数和方块值以节约面积。

2" 版图设计

本文基于55 nm CMOS工艺进行版图设计，基准电路与振荡主体间增加隔离，电源地线增加滤波电容，避免高速振荡信号耦合至电源影响性能。两路充放电电容、比较电路采用对称设计，频率校正镜像管、温漂校正电阻保证严格的版图匹配。振荡电路版图概貌如图8所示。

3" 性能参数

振荡主要性能参数如表3所示。

LDO特性曲线如图9所示，振荡电压特性曲线如图10所示。典型工作条件下，振荡输出频率为30.58 MHz，整体工作电流为120 μA。对比振荡电压特性可见，电源电压在1.6～5.5 V变化时，LDO线性调整率为0.06‰，输出频率偏移为0.1%。

频率⁃温度特性曲线及温度校正范围如图11所示，-40～125 ℃、默认温度校准配置下频率偏移曲线为抛物线，最大偏移为0.56%，频率温度校准可修调抛物线对称轴，温度校准值增大，频率温度特性曲线由递增变化为递减。

图12所示为频率粗调校准取值默认时的频率细调校准曲线，随细调配置值增大，内部比较器基准电压递增，输出频率减小，频率中心校准精度为0.5%，全码值校准精度lt;1%。

4" 结" 论

本文设计了一种片内RC振荡电路，采用两级LDO供电提升频率稳定性，带隙基准源提供电流源及基准电压以优化振荡频率的电压和温度特性。为了进一步提高振荡精度，分别对RC振荡的充电电流和比较器基准电压进行校准，实现频率的粗调和细调；更改校准支路部分电阻的温度特性，实现对频率温度偏移参数的校正。振荡输出30 MHz时钟，中心频率校准精度为0.5%，在-40～125 ℃、1.6～5.5 V的工作范围内可实现0.6%以内的频率偏移，具有较好的频率特性，其供电方案及频率校准、温度校准结构可移植到相似的RC振荡结构中，用以提高振荡精度及频率稳定性。

参考文献

[1] 朱恒军，潘靖雪，康嘉浩，等.一种可校准的高精度低温漂RC振荡器的设计[J].微处理机，2023，44（2）：13⁃18.

[2] 饶喜冰，孙志欣.一种可校准的高精度低温偏的片内高速振荡设计[J].电子器件，2019，42（1）：76⁃81.

[3] 张键，尹志强，杨晓刚.适用于MCU的低功耗、高精度RC振荡电路设计[J].电子与封装，2020，20（11）：36⁃42.

[4] 王泽林，刘祖韬，张加宏，等.一种无比较器的高精度RC振荡器设计[J].电子元件与材料，2023，42（8）：1003⁃1009.

[5] 陈富涛.一种高精度低功耗RC振荡器设计[J].微电子学与计算机，2019，36（6）：74⁃78.

[6] 袁珩洲，桑浩，颜广达，等.基于RC充电时间过零点不变性的高精度高稳定振荡器[J].计算机工程与科学，2023，45（1）：10⁃16.

[7] 刘全旺，张波，甄少伟，等.一种低功耗低温漂振荡器的设计[J].微电子学，2020，50（1）：46⁃49.

[8] 王慧丽，冯全源.带工艺修调的低温漂片内振荡器设计[J].电子技术应用，2016，42（9）：44⁃46.

[9] 刘铭扬，王小松，刘昱.一种调节供电进行温度补偿的高精度时钟电路[J].电子技术应用，2021，47（5）：117⁃121.

[10] 荣家敬，辛晓宁，任建，等.一种高精度振荡器设计[J].电子设计工程，2018，26（17）：1⁃5.

[11] 陈天昊，李富华，马志寅.一种新型高精度低功耗的张弛振荡器设计[J].电子与封装，2022，22（3）：86⁃92.

[12] 吴舒桐，孔玉礼，王祖锦.一种带曲率补偿的低温漂带隙基准源设计[J].电子与封装，2022，22（10）：61⁃65.

[13] 鲍钰文，徐瑶，张金辉，等.高性能晶体振荡器及频率校准电路设计[J].现代电子技术，2014，37（9）：148⁃153.

作者简介：宗佳佳（1993—），女，江苏无锡人，硕士，工程师，研究方向为模拟集成电路设计。