低功耗低頻高精度RC振蕩器設(shè)計(jì)

1、 第三屆“九同方”杯大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽 作品報(bào)告暨華中科技大學(xué)暑期生產(chǎn)實(shí)習(xí)報(bào)告比賽題目：A Low Power 48MHz Oscillator using XMC 55lp Process （本科生組） 隊(duì) 名： 姓 名: 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 目錄1.題目要求32.設(shè)計(jì)思路32.1 引言32.2各個(gè)原件的參數(shù)特性單仿32.3 電路設(shè)計(jì)42.3.1 環(huán)形振蕩器模塊設(shè)計(jì)52.3.2 溫度，電源補(bǔ)償補(bǔ)償模塊102.3.3差分轉(zhuǎn)單端輸出以及正弦波變方波電路123.設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程144.波形說(shuō)明與性能分析204.1 輸出電流，功耗分析204.2 輸出尾對(duì)尾結(jié)構(gòu)214.3 輸出頻率穩(wěn)定性進(jìn)行分析214

2、.3.1 輸出頻率隨輸入電壓變化波動(dòng)性224.3.2 輸出頻率隨溫度變化波動(dòng)254.3.3 輸出頻率隨工藝變化產(chǎn)生波動(dòng)274.4 起振時(shí)間分析305.性能總結(jié)316.心得體會(huì)327 參考文獻(xiàn)338 附錄331.題目要求Foundry: XMCProcess: 55lpSupply Voltage: 1.081.32VDie Temperature: -2085COutput swing: rail to railOutput frequency: 48MHz; typical,<+-2% with trimming across process; (15%)<+-6% across

3、 supply voltage and temperature (30%)Duty cycle: 50%+-10% (15%)Operation current: typical 120uA (20%)Disable current: typical 0.5uA (10%)Startup time: typical 5us (10%)2.設(shè)計(jì)思路 2.1 引言振蕩器廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空、通訊和電子等領(lǐng)域。尤其在集成鎖相環(huán)中振蕩器是必不可少的電路集成壓控振蕩器有幾個(gè)重要的性能參數(shù)如低功耗、低相位噪聲和小的版圖面積。本文所提到的壓控振蕩器都是指集成壓控振蕩器對(duì)于振蕩頻率在48MHZ的振蕩器。對(duì)于振

4、蕩頻率在1GHZ以下的振蕩器 , LC型壓控振蕩器版圖面積過(guò)大、品質(zhì)因子較低,并且便于采用標(biāo)準(zhǔn)工型壓控振蕩器版圖面積過(guò)大、品質(zhì)因子較低。而環(huán)形壓控振蕩器能夠提供相對(duì)較高的相位噪聲、寬泛的震蕩頻率范圍、較小的版圖面積和較低的功耗。本文采用“武漢新芯標(biāo)準(zhǔn)55nm工藝”使用環(huán)形振蕩器電路實(shí)現(xiàn)功能。2.2各個(gè)原件的參數(shù)特性單仿考慮的使用“武漢新芯標(biāo)準(zhǔn)55nm工藝”，因此需要首先對(duì)相應(yīng)管子進(jìn)行單仿，經(jīng)過(guò)單仿發(fā)現(xiàn)，在該工藝條件下，個(gè)器件的特性與此前接觸的工藝下，并沒(méi)有太大變化，可以仍然按照以前的方式進(jìn)行使用，即不需要在電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。下圖為NMOS的I-V特性曲線圖1所示： 圖12.3 電路設(shè)計(jì)為

5、了實(shí)現(xiàn)低功耗，低驅(qū)動(dòng)電壓，高工作頻率，高穩(wěn)定性的要求。本文提出了一種解決環(huán)形振蕩器溫度漂移的高階補(bǔ)償方案，利用MOS 管的I-V 特性和雙極型晶體管正向電壓的負(fù)溫度系數(shù)，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓進(jìn)而控制環(huán)形振蕩器的振蕩頻率。同時(shí)利用線性穩(wěn)壓器對(duì)電壓的波動(dòng)進(jìn)行抑制，使其具有良好的電壓特性。因此本電路在設(shè)計(jì)環(huán)形振蕩器時(shí)間將利用到環(huán)形振蕩器模塊，電壓補(bǔ)償模塊，溫度補(bǔ)償模塊，工藝補(bǔ)償模塊，延時(shí)模塊，從而實(shí)現(xiàn)電路的高效，高穩(wěn)定性工作。具體的電路工作流程如圖1所示： 圖2 振蕩器體系結(jié)構(gòu)該體系結(jié)構(gòu)的工作原理分析如下:如圖1電路所示，線性穩(wěn)壓器線性穩(wěn)壓器將片外的電源電壓VBAT 轉(zhuǎn)換成內(nèi)核電壓VDD，提供給電壓補(bǔ)償電路

6、，溫度補(bǔ)償電路，工藝補(bǔ)償電路，振蕩器主體電路和差分轉(zhuǎn)單端電路，此外，補(bǔ)償電路中的基準(zhǔn)電壓VREF由線性穩(wěn)壓器提供。環(huán)形振蕩器是產(chǎn)生波形的主體電路，由差分延時(shí)單元組成，其輸出通過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端的電路，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)輸出，其占空比為50%。補(bǔ)償電路根據(jù)環(huán)境的變化，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腣CTRL 電壓，通過(guò)偏置電路來(lái)影響環(huán)形振蕩器的振蕩頻率，使其保持在48MHz不變。2.3.1 環(huán)形振蕩器模塊設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中,石英晶體振蕩器具有高的品質(zhì)因素,能精確的定義諧振頻率,提供系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參考源,因而扮演了極其重要的角色。晶體振蕩器常常作為系統(tǒng)時(shí)鐘,低功耗、高穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重點(diǎn)因素。

7、為了保證可靠的起振，振蕩器在開(kāi)始起振時(shí)的環(huán)路增益T =AF 要大于 1，一般情況下取T =AF 的值為 5 到 10，于是依靠振蕩器在接通電源的瞬間產(chǎn)生的電流突變以及電路內(nèi)各種微弱的噪聲通過(guò)振蕩環(huán)路內(nèi)的選頻回路選頻，循環(huán)的送入放大器放大和反饋而保證了幅度的不斷增長(zhǎng)，但是隨后又必須限制其增長(zhǎng)，使振蕩器達(dá)到平衡T =AF =1。使振蕩器的輸出信號(hào)達(dá)到幅度平衡一般可分為外穩(wěn)幅和內(nèi)穩(wěn)幅兩種方法，由于內(nèi)穩(wěn)幅方法是利用晶體管本身固有的非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩平衡，其功耗和信號(hào)的非線性失真往往比較大，所以對(duì)于低功耗和低相位噪聲的應(yīng)用一般都是采用外穩(wěn)幅方法，它是在電路設(shè)計(jì)上采取一些外界措施幫助振蕩器在起振過(guò)程中，將自

8、動(dòng)調(diào)節(jié)為平衡時(shí)T =AF =1，從而減弱晶體管的非線性工作程度，以改善輸出信號(hào)波形，減少相位失真，并可以控制輸出信號(hào)幅度和電路功耗的大小。傳統(tǒng)的Pierce振蕩器如下圖所示。 M1作為放大器,R1為負(fù)載電阻，反饋電阻Rf用來(lái)穩(wěn)定放大管的靜態(tài)工作點(diǎn), 結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單, 得到了普遍的應(yīng)用。但是如果使用電阻直接作為負(fù)載功耗太大,且電阻占用的版圖面積大, 不利于芯片集成；另外,振蕩器電路沒(méi)有對(duì)振蕩電流的限制, 很可能因?yàn)檎袷幠芰窟^(guò)大而使晶振受損,功耗大大增加。 針對(duì)這些不足, 文中對(duì)傳統(tǒng)Pierce結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn): (1)設(shè)計(jì)了帶使能控制的、快速起振的振蕩電路, 以降低電路功耗；(2)設(shè)計(jì)了振蕩器輸出緩

9、沖電路, 對(duì)振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行放大整形,調(diào)整輸出信號(hào)占空比為50%,隔離負(fù)載電路的影響，以提高輸出信號(hào)的穩(wěn)定度；(3)設(shè)計(jì)了使能控制電路,不僅實(shí)現(xiàn)整體電路使能控制， 還可以在電路不起振時(shí)關(guān)斷部分電路, 以進(jìn)一步降低電路功耗。 圖3傳統(tǒng)的Pierce振蕩器電路壓控振蕩器的設(shè)計(jì)需要綜合考慮功耗、噪聲和版圖面積等因素，在大多數(shù)應(yīng)用中,全差分振蕩器采用三到五級(jí)的結(jié)構(gòu)能夠提供最優(yōu)的性能川由于四級(jí)環(huán)形振蕩器能夠提供四相位或八相位時(shí)鐘,在某些應(yīng)用中比較有優(yōu)勢(shì),同時(shí)考慮實(shí)際所需的振蕩器的中心頻率也不高,因此本設(shè)計(jì)采用三差分環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu),如圖4所示： 圖4 三環(huán)形壓控振蕩器 該電路的基本工作原理為: OSC振

10、蕩電路以噪聲作為起振的原始激勵(lì)信號(hào),輸出穩(wěn)定的正弦信號(hào):BUFFER振蕩輸出緩沖電路對(duì)前一級(jí)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行放大整形,得到占空比為50%的方波信號(hào);分頻電路對(duì)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)整,以得到適合不同頻率信號(hào)源;頻率調(diào)整后的方波信號(hào)通過(guò)高性能的輸出緩沖電路,提高芯片的帶負(fù)載能力,為各種電子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的頻率基準(zhǔn)源。然后將得到的Vout+，以及Vout-經(jīng)過(guò)差分轉(zhuǎn)換電路，得到單端輸出結(jié)果。對(duì)于N級(jí)環(huán)形振蕩器的頻率可以表示為：f=，在本電路中N取3對(duì)于每一級(jí)環(huán)形振蕩器，則其具體的電路如圖5所示 圖5單級(jí)環(huán)形振蕩器電路其原圖模型為圖 6 所示 圖 6單級(jí)環(huán)形振蕩器電路原圖模型針對(duì)單級(jí)環(huán)形振蕩器的分

11、析如下：由: 而對(duì)與IREF可以由公式求得，因此可以得到下面的結(jié)論：fosc=1Ntd=upCoxW4L43C0VDD-VCTRL(VDD-VT4-VCTRL)2帶對(duì)稱負(fù)載的差分延時(shí)單元如圖6所示由源極耦合對(duì)和對(duì)稱負(fù)載單元構(gòu)成其中對(duì)稱負(fù)載單元由一個(gè)二極管連接的PMOS管和相同尺寸、偏置于VBP的PMOS器件并聯(lián)構(gòu)成。研究表明對(duì)稱負(fù)載單元的延時(shí)能夠通過(guò)控制電壓的精確控制,同時(shí)具有較高的電源噪聲抑制能力器件構(gòu)成的電流源動(dòng)態(tài)的偏置于,用來(lái)補(bǔ)償漏極和襯底電壓的變化,實(shí)現(xiàn)等效于共源共柵電流源的特性因此帶對(duì)稱負(fù)載的差分延時(shí)單元能夠?qū)崿F(xiàn)較高的電源和襯底噪聲抑制能力。將三級(jí)環(huán)形振蕩器連接起來(lái)后得到圖7的效果總

12、圖： 對(duì)比較器的單仿 圖7三級(jí)環(huán)形振蕩器為了降低電源電壓給振蕩頻率帶來(lái)的影響，本設(shè)計(jì)在振蕩器內(nèi)部集成了一個(gè)線性穩(wěn)壓器。此線性穩(wěn)壓器一方面給振蕩器電路提供電源VDD（在SoC 系統(tǒng)中，其他模塊的電源亦可由此線性穩(wěn)壓器提供），另一方面，該線性穩(wěn)壓器內(nèi)部帶隙電壓源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓VREF 為溫度補(bǔ)償電路所需的的基準(zhǔn)電壓提供了來(lái)源。電路原理圖如下圖所示： 2.3.2 溫度，電源補(bǔ)償補(bǔ)償模塊由于本電路限制電路隨溫度，以及電源的波動(dòng)范圍限制再6%之間，因此需要在電路中添加相應(yīng)的補(bǔ)償電路。這里由頻率計(jì)算公式fosc=1Ntd=upCoxW4L43C0VDD-VCTRL(VDD-VT4-VCTRL)2可知，欲達(dá)

13、到電路的補(bǔ)償，只能通過(guò)對(duì)VCTRL進(jìn)行控制，而VCTRL對(duì)應(yīng)在環(huán)形振蕩器的Vbp處，即可以通過(guò)一個(gè)外加控制電路達(dá)到該外加的控制電路與輸出Vbp的結(jié)果，與溫度，電源電壓波動(dòng)對(duì)于電路的影響正好成負(fù)相關(guān)。即考慮當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，MOS 管的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。載流子遷移率、柵氧化層電容、閾值電壓等都會(huì)受溫度影響。具體分析如下面公式所示： Vtp=|Vtp0|(1+vtT) Cox=C0x0(1+coxT) CEFF=CEFF0(1+ceffT)其中vt，cox，ceff分別對(duì)應(yīng)閾值電壓，柵氧化層電容以及輸出等效電容的溫度系數(shù)，|Vtp0|，C0x0，CEFF0為常

14、數(shù)，分別對(duì)應(yīng)絕對(duì)零度的值，因此可以推導(dǎo)出： VCTRL=VBP=VDD-VTP-12f*N*CEFFKP'WLP-124VTP*f*N*CEFFKP'WLP+(f*N*CEFFKP'WLP)2考慮設(shè)計(jì)中的各個(gè)參數(shù)，即f=48mhz，N=3,且CEFF為皮法級(jí)的，因此上式可以簡(jiǎn)化得到：VCTRL=VBP=VDD-VTP-12f*N*CEFFKP'WLP-124VTP*f*N*CEFFKP'WLP+f*N*CEFFKP'WLP2VDD-Vtp01+vtT-12f*N*CEFFupoCox0WLPT22-124VTP*f*N*CEFFupoCox0WL

15、PT1.48由此可以設(shè)計(jì)出溫度補(bǔ)償以及電壓補(bǔ)償電路如圖8所示，其中該補(bǔ)償電路的輸出端Vctrl即接在3級(jí)環(huán)形振蕩器電路的Vbp端，從而控制VBP電壓，保證輸出頻率的穩(wěn)定性： 圖8溫度電壓補(bǔ)償電路值得注意的是，該部分補(bǔ)償電路還兼?zhèn)淇刂齐娐返牡淖饔?，即控制整個(gè)振蕩器電路的工作的功能，在總電路圖上，該控制電路的VDD是接在3級(jí)環(huán)形振蕩器的EN使能端，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)EN使能時(shí)整個(gè)電路處于工作狀態(tài)，此時(shí)時(shí)能輸出的電壓值剛好就是VDD指，正好滿足補(bǔ)償電路電源電壓的需求，該電路工作可以輸出相應(yīng)的VBP控制環(huán)形振蕩器，當(dāng)EN使能不工作時(shí)，整個(gè)電路處于關(guān)斷狀態(tài)，該補(bǔ)償電路由于沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，亦處于關(guān)斷狀態(tài)，即可

16、以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路此時(shí)極低的尾電流。2.3.3差分轉(zhuǎn)單端輸出以及正弦波變方波電路根據(jù)圖2所示，經(jīng)過(guò)3級(jí)環(huán)形振蕩器輸出的波形為雙端波形，因此需要加上相應(yīng)的電路將雙端轉(zhuǎn)化為單端輸出，即需要將相應(yīng)的Vout+，以及Vout-轉(zhuǎn)換為單端輸出因此需要用到圖9的差分轉(zhuǎn)單端電路： 圖9 差分轉(zhuǎn)單端電路但是考慮到由于經(jīng)過(guò)振蕩器振蕩得到的電路仍然是正弦波，而該電路的要求是需要輸出占空比為50%的方波信號(hào)，即需要添加反相器實(shí)現(xiàn)該功能，而且正弦波變方波的最好方式也是利用差分對(duì)比較進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，故對(duì)圖7進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其可以兼顧但端輸出以及正弦波變方波功能，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)電路兩種功能的作用，環(huán)形振蕩器的差分輸出最后經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)零比

17、較器之后,得到輸出擺幅是滿幅,占空比是1 1的單端時(shí)鐘信號(hào)VOUT，XTAL和XTALN端的信號(hào)均為非標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，特別是XTALN的振幅范圍有可能超過(guò)電源電壓的范圍，因此，在振蕩器輸出端設(shè)計(jì)了圖8所示的反相器緩沖電路，對(duì)振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行差分放大整形，具體電路圖10所示： 圖10差分轉(zhuǎn)單端輸出以及波形整形電路同時(shí)，利用XTAL和XTALN的相位差180°的特性，保證整形輸出的方波占空比為50%。圖8中CB和C為互補(bǔ)使能控制信號(hào)。當(dāng)CB為低時(shí)，C為高，M23和M24均截止，差分電路的偏置電流被關(guān)斷，輸出為低功耗模式的高阻態(tài)；當(dāng)CB為高時(shí)，C為低，則M23和M24快速導(dǎo)通，為放大器電

18、路提供偏置電流，此時(shí),XTAL和XTALN信號(hào)進(jìn)行差分放大比較。當(dāng)XTAL比XTALN高時(shí)，差分輸出節(jié)點(diǎn)A和B的電位均為高，M13截止，M14導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)P輸出為低,則緩沖后輸出信號(hào)DIV為低;當(dāng)XTAL比XTALN低時(shí),差分輸出節(jié)點(diǎn)A和B的電位均為低，MI13導(dǎo)通,MI22截止，節(jié)點(diǎn)P輸出為高，緩沖后輸出信號(hào)DIV為高，如此循環(huán)進(jìn)行,輸出方波信號(hào)DIV.由于XTAL和XTALN為相位差為180°,可以保證輸出的方波信號(hào)占空比為50%。3.設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程 對(duì)于本次的電路設(shè)計(jì)，我們的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)了很多次大的變動(dòng)，一開(kāi)始我們打算利用我們所學(xué)的石英晶體振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)，即結(jié)合圖11，圖12進(jìn)行設(shè)

19、計(jì): 圖11傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)Pierce振蕩器 圖12低功耗振蕩電路但是實(shí)際在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們卻發(fā)現(xiàn)由于我們的工藝庫(kù)并不支持石英晶體，因此這一方案只得放棄。 接下來(lái)留給我們的方案只有RC振蕩器方案，以及LC振蕩器方案兩種可以選擇?？紤]到RC振蕩器電阻R受到外界包括溫度變化，電壓變化，工藝條件不同等的影響，造成的結(jié)果變化值可以達(dá)到±30%，這樣的結(jié)果是具有極大的不穩(wěn)定性，而相應(yīng)的LC振蕩器則受這些因素的影響較小，故我們一開(kāi)始的思路是使用LC電路，即利用LC振蕩器，利用 （1）LC振蕩器 （2）緩沖模塊（整形模塊，受信號(hào)控制） （3）控制模塊（用于模式切換）這三個(gè)模塊共同組成電路。當(dāng)時(shí)對(duì)于LC電

20、路設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)初步的仿真。 初步結(jié)果是不理想的，后來(lái)發(fā)現(xiàn)是我們的電感，電容值取值過(guò)小了，換成大電容，大電感并加入相應(yīng)的整形電路得到了近似的方波情況，如圖13所示產(chǎn)生的正弦波： 圖13 LC振蕩器產(chǎn)生的正弦波以及經(jīng)過(guò)整形后得到的波形，如圖14, 圖15，圖16所示 圖14 圖15這種情況下得到的電路波形的結(jié)果為：目前參數(shù)：方波擺幅：rail to rail頻率：約48.2MHZ占空比：約50.5%可見(jiàn)這一結(jié)果還是較為滿意的接著進(jìn)行電壓波形圖的比較，如圖16所示： 圖16 電壓波形比較圖理論上，如果電路設(shè)計(jì)合理，則得到的波形圖應(yīng)該正好在正弦波中間值即0.6V發(fā)生方波的高低電平變化，根據(jù)該圖16電壓波形

21、圖的比較，發(fā)現(xiàn)基本在0.6V附近發(fā)生變化，但是還是有一定誤差，需要改進(jìn)。最后又經(jīng)過(guò)將MOS管進(jìn)行調(diào)整，得到了較為理想的結(jié)果。但是此時(shí)一個(gè)問(wèn)題就是，這種情況下得到的電路需要較大的電容，電感，而實(shí)際中這樣的器件是很難做到的，因此必須進(jìn)行分頻電路設(shè)計(jì)，我們當(dāng)時(shí)打算用四個(gè)D觸發(fā)器，進(jìn)行16分頻設(shè)計(jì)，從而得到較高的頻率值，這樣所需要的電容，電感值就可以相應(yīng)的做小了，即在實(shí)際工藝條件下就可以滿足要求了。設(shè)計(jì)出了圖17所示的D觸發(fā)器電路，理論上這是可行的，分頻電路對(duì)輸出的方波信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)整,以得到適合不同頻率信號(hào)源;頻率調(diào)整后的方波信號(hào)通過(guò)高性能的輸出緩沖電路,提高芯片的帶負(fù)載能力,為各種電子系統(tǒng)提供準(zhǔn)確

22、的頻率基準(zhǔn)源。但是對(duì)于分頻卻不能很好的實(shí)現(xiàn)，只能達(dá)到如圖18，圖19的分頻效果，這種效果對(duì)于精度高的電路顯然是完全不合適的，尤其是當(dāng)使用4個(gè)D觸發(fā)器是，將產(chǎn)生更大的誤差，因此經(jīng)過(guò)多次嘗試改進(jìn)后，我們只得改換RC電路進(jìn)行設(shè)計(jì)： 圖17 D觸發(fā)器電路 圖18 二分頻波形 圖19 優(yōu)化后的二分頻電路波形 我們經(jīng)過(guò)考慮對(duì)于16分頻電路，電路的設(shè)計(jì)進(jìn)度必須非常高才能滿足要求，而相應(yīng)的對(duì)于RC電路則無(wú)需分頻，且對(duì)于RC電路的各種不穩(wěn)定性，也有比較成熟的解決方案進(jìn)行解決。對(duì)于RC電路的優(yōu)化過(guò)程，將在下面在電路性能，波形分析中進(jìn)行說(shuō)明。4.波形說(shuō)明與性能分析4.1 輸出電流，功耗分析首先對(duì)電路的功耗（電流）進(jìn)

23、行說(shuō)明，電路工作時(shí)產(chǎn)生的電流如圖20所示，由截圖可知該電路的工作電流為97uA<120uA： 圖20 電路工作狀態(tài)時(shí)電流而當(dāng)電路關(guān)斷時(shí)，電路中的尾電流為318.622pA即0.318uA如圖21所示 圖21 電路關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流4.2 輸出尾對(duì)尾結(jié)構(gòu)輸出的結(jié)果也是尾對(duì)尾模型，如圖22所示圖22 尾對(duì)尾輸出4.3 輸出頻率穩(wěn)定性進(jìn)行分析首先如圖23所示為典型值情況下的波形圖： 圖23 典型值情況下的輸出波形由上圖可知在標(biāo)準(zhǔn)情況下得到一個(gè)波型內(nèi)，起始時(shí)間，即一個(gè)波形的時(shí)鐘上升沿時(shí)刻為 t1=227.68ns，下降時(shí)鐘沿為 t2=238.05ns，另一個(gè)上升沿為 t3248.33ns。經(jīng)過(guò)計(jì)算有

24、典型值下半周期為10.37ns，周期為20.65ns 占空比為50.2，頻率為48.42MHZ。該結(jié)果是滿足設(shè)計(jì)要求即占空比在40%到60%之間，頻率在46MHZ到50MHZ之間的要求的。4.3.1 輸出頻率隨輸入電壓變化波動(dòng)性由于實(shí)際提供的電壓是波動(dòng)的，不可能是保持標(biāo)準(zhǔn)值1.2V不變的，因此需要考慮電路設(shè)計(jì)對(duì)于電壓波動(dòng)的抗干擾能力。下面分析隨著電壓波動(dòng)從1.08V到1.32V對(duì)電路輸出結(jié)果的影響結(jié)果，得到的掃面電壓波形如圖19,20,21，22所示： 圖 19 圖20 圖21 圖22通過(guò)圖22兩幅波形圖的比較發(fā)現(xiàn)，輸出結(jié)果整體頻率并沒(méi)有發(fā)生大的變化，為了更加精確清楚地對(duì)比這一結(jié)果，將不同電壓

25、對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)記錄并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算如表1所示：表1 不同電壓情況下對(duì)應(yīng)的輸出波形由上表可知，在全電壓范圍內(nèi)，占空比是滿足要求的，而對(duì)與頻率除了在極端值情況下出現(xiàn)不滿足外，都是滿足要求的。當(dāng)然這次確實(shí)也是由于我們中途從LC電路換成RC電路，而且中途機(jī)房出現(xiàn)故障，因此電路調(diào)整時(shí)間有點(diǎn)緊張，如果能夠有足夠的時(shí)間相信這個(gè)問(wèn)題是可以解決的。4.3.2 輸出頻率隨溫度變化波動(dòng)由于溫度對(duì)于芯片的影響非常大，因此必須考慮溫度的影響，由于我們的電路在溫度補(bǔ)償上做的比較好，因此輸出隨溫度變化的波動(dòng)是很小的。對(duì)應(yīng)的輸出隨溫度的變化波形圖如圖23,24,25所示：圖23圖24 圖25同樣為了更加準(zhǔn)確地對(duì)比輸出結(jié)果，將輸

26、出波形對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制如表2所示： 表2輸出隨溫度變化由表二可知，該電路的溫度特性吻合的非常好，即隨溫度變化，占空比始終滿足要求，而且頻率也滿足要求，該電路的頻率從46.47MHZ波動(dòng)到49.28MHZ滿足要求。4.3.3 輸出頻率隨工藝變化產(chǎn)生波動(dòng)工藝的偏差同樣會(huì)影響振蕩器的輸出頻率, 在不同的晶片之間以及在不同的批次之間, MOS管的參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。雖然大多數(shù)的工藝參數(shù)是隨溫度變化的, 通過(guò)溫度補(bǔ)償電路同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這部分隨溫度變化的工藝參數(shù)變化的補(bǔ)償。但是根據(jù)得到的溫度補(bǔ)償電壓沒(méi)有考慮柵氧化層電容Cox變化的影響；在不同的工藝角(ProcessCorner)下, MOS管的氧化層厚度to

27、x會(huì)有差別, 相應(yīng)的Cox也會(huì)隨之變化。因此, 在給定控制電壓VCTRL的情況下,由于Cox的不同, 得出的輸出頻率就會(huì)出現(xiàn)偏差；特別的, 在極端的SS工藝角和FF工藝角下, 仿真顯示振蕩器的輸出頻率最大約有60MHz的偏差， 因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路進(jìn)行工藝補(bǔ)償。對(duì)于不同工藝所造成的，輸出頻率隨工藝變化，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)電路當(dāng)工藝變化是其輸出結(jié)果也相應(yīng)的發(fā)生變化，而這一變化剛好可以控制振蕩器電路的VBP的值，基于這一種構(gòu)想，以及相應(yīng)的計(jì)算公式，可以利用下圖電路進(jìn)行工藝補(bǔ)償：即由如下公式由fosc=1Ntd=upCoxW4L43C0VDD-VCTRL(VDD-VT4-VCTRL)2VCTRL=V

28、BP=VDD-VTP-12f*N*CEFFKP'WLP-124VTP*f*N*CEFFKP'WLP+f*N*CEFFKP'WLP2VDD-Vtp01+vtT-12f*N*CEFFupoCox0WLPT22-124VTP*f*N*CEFFupoCox0WLPT1.48即由以上公式可知，該電路當(dāng)好可以控制VBP點(diǎn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)減小振蕩器由于工藝不同所造成的輸出不同。我們經(jīng)過(guò)切換不同的工藝角得到如圖26,27，28情況，其中圖26為慢工藝角情況，圖27為標(biāo)準(zhǔn)值情況，圖28為快工藝角情況： 圖 26 慢工藝角情況 圖27 標(biāo)準(zhǔn)工藝角情況 圖28 快工藝角情況結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同工藝角情

29、況下，得到的波形占空比都是滿足設(shè)計(jì)要求的，但是輸出頻率卻出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，即慢工藝角時(shí)頻率為38MHZ，而使用快工藝角時(shí)為62MHZ，盡管這一結(jié)果比沒(méi)有加工藝補(bǔ)償電路得結(jié)果有了很大的改善，但是任然不滿足要求，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是我們對(duì)于Vbp點(diǎn)的選擇不是很合適，這可能需要接下來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)。4.4 起振時(shí)間分析對(duì)于振蕩電路，其起振時(shí)間也是一個(gè)極為重要的量，起振時(shí)間反映了振蕩電路的反應(yīng)速度，這在高頻電路中極為重要，對(duì)于該電路設(shè)計(jì)要求的起振時(shí)間，該電路要求是滿足小于5us，我們的結(jié)果如圖29所示 圖29起振波型由圖29可知，該電路穩(wěn)定振蕩發(fā)生在175ns，即0.175us遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的5us滿足

30、要去。5.性能總結(jié)本設(shè)計(jì)采用武漢新芯55nm工藝，制作低壓低功耗濾波器。電路正常工作的電源電壓范圍為1.08V-1.32V，工作頻率在典型值時(shí)為48MHZ,在快工藝角時(shí)為62MHZ，在慢工藝角情況在38MHZ這一點(diǎn)稍顯不足。但是對(duì)于溫度變化即溫度從-20到85范圍的變化，頻率由46.7MHZ到49.2MHZ之間變化。隨著電壓的變化即電壓從1.08V變化到1.32V頻率由40MHZ波動(dòng)到56MHZ。占空比滿足要求，該電路的占空比從47.1%波動(dòng)到52.7%。電路正常工作時(shí)電流97.0602uA滿足電路要求。而當(dāng)電路關(guān)斷情況下，電路的尾電流為311.622pA即0.3uA滿足要求。同時(shí)輸出電壓尾對(duì)

31、尾0V-12V滿足要求。啟動(dòng)時(shí)間最大為0.2us，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的0.5us滿足要求。6.心得體會(huì)此次大賽中，我們通過(guò)使用湖北九同方微電子有限公司云平臺(tái)，完成了基本滿足要求的低功耗48MHZ低壓振蕩器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，感謝九同方公司給我們這樣一個(gè)將理論得以運(yùn)用，并更深刻了解IC設(shè)計(jì)流程的機(jī)會(huì)。由于之前我們?cè)贑OMS課程設(shè)計(jì)中已經(jīng)使用過(guò)該平臺(tái)，因此使用起來(lái)還是比較順手的，尤其本次比賽九同方聯(lián)手武漢新芯，為我們的比賽提供了許多便利條件，尤其是在加載相應(yīng)的庫(kù)時(shí)，我們可以直接進(jìn)行調(diào)用，不用像以前一樣還需要進(jìn)行文件加載。這次比賽我們可以說(shuō)是走了許多彎路的，尤其一開(kāi)始使用單純的晶體振蕩器電路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工藝庫(kù)并不支

32、持，然后我們考慮到LC振蕩器電路的穩(wěn)定性較高，而RC振蕩器電路電阻受外界環(huán)境波動(dòng)變化影響較大，于是就更換成LC振蕩器電路的設(shè)計(jì)，但是，這樣的設(shè)計(jì)思路卻產(chǎn)生了大電感，大電容問(wèn)題，于是只能采用分頻電路做法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在分頻存在極大的問(wèn)題，本來(lái)感覺(jué)D觸發(fā)器是比較容易做的，但是當(dāng)使用4個(gè)D觸發(fā)器，組成16分頻電路時(shí)卻發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的問(wèn)題，那就是由于本電路要求對(duì)波動(dòng)變化較為敏感，而實(shí)際中用D觸發(fā)器很難做到這樣高的精度，后來(lái)只得放棄該方案走RC環(huán)形振蕩器方案，又在克服了許多苦難之后終于實(shí)現(xiàn)了電路的功能。這次比賽給我最深的體會(huì)就是要做好前期的資料查找工作，我們一開(kāi)始就是由于資料查找不充分結(jié)果，對(duì)電路實(shí)際分析不到位

33、出現(xiàn)差錯(cuò)的。我們當(dāng)時(shí)只是簡(jiǎn)單查閱了一些資料就開(kāi)始動(dòng)手做了，如果我們當(dāng)時(shí)多查閱一些資料，進(jìn)行詳細(xì)的論證，也許這種走彎路的事就可以避免了。當(dāng)然這次比賽是團(tuán)隊(duì)集體的，我們小組三人在整個(gè)過(guò)程做，相互配合，詳細(xì)分工，各自盡最大努力完成自己負(fù)責(zé)的電路部分。同時(shí)也要感謝各位老師，同學(xué)，以及九同方技術(shù)人員的幫助，這次比賽很有意義，希望這樣的比賽以后繼續(xù)，并能邀請(qǐng)更多省外學(xué)校參與到其中，大家同臺(tái)競(jìng)技，共同進(jìn)步。我是電子專業(yè)的對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)這一塊雖然之前了解過(guò)一些，但是畢竟沒(méi)有真的上手做過(guò)，尤其是相比于集成專業(yè)的同學(xué)來(lái)說(shuō)，集成專業(yè)的同學(xué)，之前一直在參加華大九天，以及京東方的比賽，在實(shí)際設(shè)計(jì)中已經(jīng)有了很多經(jīng)驗(yàn)，不

34、過(guò)好在通過(guò)這次比賽，我學(xué)到了許多，尤其是在中途，團(tuán)隊(duì)主力由于17要參加中科院微電子所的夏令營(yíng)，因此后期的任務(wù)就交給我和隊(duì)里另外一個(gè)同學(xué)，而這時(shí)我們面對(duì)的是需要更換設(shè)計(jì)方案，把我們之前的LC設(shè)計(jì)方案換成RC方案，這意味著又得重新查找資料，設(shè)計(jì)電路模塊，當(dāng)時(shí)時(shí)間也是萬(wàn)分緊急，再加上那幾天九同方的平臺(tái)出現(xiàn)了故障，在這種情況下，我和隊(duì)友一起努力克服萬(wàn)難，終于完成了任務(wù)，盡管我們的設(shè)計(jì)結(jié)果并不是十分理想，但是我們確實(shí)盡力了，我們付出了，不管結(jié)果如何，我們?cè)谶@方面學(xué)到了許多?，F(xiàn)在大三了，大家暑假都有很多安排，但是大家在這個(gè)比賽中卻能夠盡量擠出時(shí)間來(lái)一起做這個(gè)設(shè)計(jì)，確實(shí)極為難得，后面如果有時(shí)間的話，我希望在

35、工藝角補(bǔ)償上再對(duì)該電路進(jìn)行一定的優(yōu)化。7 參考文獻(xiàn)1模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)/(美)拉扎維（Razavi.B）著，陳貴燦等譯2 一種低功耗高穩(wěn)定性晶體振蕩器芯片的設(shè)計(jì)陳紅梅,徐靜平,鐘德剛 華中科技大學(xué)3.低功耗差分環(huán)形壓控振蕩器設(shè)計(jì)謝連波,桑紅石,方海濤,朱海博,高偉 華中科技大學(xué)4.一種帶溫度和工藝補(bǔ)償?shù)钠蠒r(shí)鐘振蕩器虞曉凡,林平分 北京工業(yè)大學(xué)5一種帶高階溫度補(bǔ)償?shù)钠瑑?nèi)時(shí)鐘振蕩器設(shè)計(jì) 李扶蘇，郭東輝 廈門(mén)大學(xué)6 On-Chip Reference Oscillators with Process, Supply Voltage andTemperature Compensation Ch

36、ao-Fang Tsai+, Wan-Jing Li, Peng-Yu Chen, Ying-Zu Lin and Soon-Jyh Chang+ Department of Electrical Engineering, National Cheng-Kung University, Tainan, Taiwan7 An Ultra-Low-Power Oscillator with Temperature and ProcessCompensation for UHF RFID TransponderYao WANG, Jiaxin LIU, Liangbo XIE, Guangjun W

37、EN8 一種改進(jìn)的CMOS 差分LC 壓控振蕩器李永峰張建輝北京微電子技術(shù)研究所9Design of High Steady Low Voltage Low Power OscillatorSuitable for UHF RFID Transponder LI Jun, ZHUANG Yi-qi, LI Xiao-ming, Pang Ze-gui10應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)的低壓低功耗設(shè)計(jì)安徽大學(xué)8 附錄電路圖振蕩器電路 波型整形電路補(bǔ)償電路 整形電路仿真網(wǎng)表：* EESchema Netlist Version 1.1 (Spice format) creation date: 2016/7/1

38、8 15:39:22* To exclude a component from the Spice Netlist add Spice_Netlist_Enabled user FIELD set to: N* To reorder the component spice node sequence add Spice_Node_Sequence user FIELD and define sequence: 2,1,0*Sheet Name:/V2 3 0 1.2V0 1 0 1.2 主電路xM0 5 5 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM1 5 10 1 1 pfet

39、 w=1.1u l=0.5u m=1xM2 6 10 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM3 6 6 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM4 12 12 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM5 12 10 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM6 9 10 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM7 9 9 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM8 7 7 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM9 7 10 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM1

40、0 8 10 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM11 8 8 1 1 pfet w=1.1u l=0.5u m=1xM12 5 7 11 11 nfet w=5u l=0.5u m=1xM13 6 8 11 11 nfet w=5u l=0.5u m=1xM14 12 5 4 4 nfet w=5u l=0.5u m=1xM15 9 6 4 4 nfet w=5u l=0.5u m=1xM16 7 12 13 13 nfet w=5u l=0.5u m=1xM17 8 9 13 13 nfet w=5u l=0.5u m=1xM18 11 3 0 0 nfet w=2u

41、l=0.5u m=1xM19 4 3 0 0 nfet w=2u l=0.5u m=1xM20 13 3 0 0 nfet w=2u l=0.5u m=1 電容xc0 5 0 0 mimcap l=10u w=16uxc1 6 0 0 mimcap l=10u w=16uxc2 12 0 0 mimcap l=10u w=16uxc3 9 0 0 mimcap l=10u w=16uxc4 7 0 0 mimcap l=10u w=16uxc5 8 0 0 mimcap l=10u w=18u 整形電路xM21 14 12 1 1 pfet w=0.6u l=0.5u m=1xM22 14 1

42、2 0 0 nfet w=1.6u l=0.2u m=1xM23 15 14 1 1 pfet w=0.6u l=0.5u m=1xM24 15 14 0 0 nfet w=1.6u l=0.2u m=1xM25 16 15 1 1 pfet w=1.6u l=0.2u m=1xM26 16 15 0 0 nfet w=1.6u l=0.2u m=1 X2 20 0 0 nwres r=60k w=3u 補(bǔ)償電路X1 10 20 0 nwres r=60k w=3uxM27 17 3 0 0 nfet w=0.8u l=0.3u m=1xM28 17 17 21 21 pfet w=0.8u

43、l=0.3u m=1xM29 21 21 3 3 pfet w=1.2u l=0.2u m=1xM30 10 21 3 3 pfet w=1.2u l=0.2u m=1xM31 0 23 20 20 nfet w=0.8u l=0.2u m=1xM32 23 23 0 0 nfet w=0.8u l=0.2u m=1xM33 20 20 19 19 pfet w=0.8u l=0.2u m=1xM34 23 23 22 22 pfet w=0.8u l=0.2u m=1xM35 19 19 3 3 pfet w=0.8u l=0.2u m=1xM36 22 22 3 3 pfet w=0.8u l=0.2u m=1*xM37 1 25 24 24 pfet w=2u l=0.5u m=1 .lib "xmc55lp/corner_switch.scs" global_file.lib "xmc55lp/corner_switch.scs" mos_tt.lib "xmc55lp/corner_switch.scs"