打开文本图片集

摘要：针对传统张弛振荡器温漂特性差、精度低及输出范围窄的问题，设计了一种低温漂高精度范围宽张弛振荡器。该振荡器采用可编程电流镜实现宽范围输出，基于电阻正温度系数和三极管VBE负温度系数进行温度补偿，实现低温漂高精度时钟输出。采用SMIC0.18um工艺实现，振荡器尺寸为0.1mmx0.3mm，工作电压为1.5V，功耗为75uW。实测结果表明，电源电压1.35～1.65V变化时，输出频率变化为-0.053%～0.072%。温度-40～125℃变化时，输出频率温度系数为116.59ppm，输出频率范围为12MHz～48MHz。

关键词：张弛振荡器；低温漂；高精度；频率校正；宽范围

1 引言

在芯片应用中，通常需要50%占空比的稳定方波信号，有很多类型振荡器可以产生这种时钟信号，例如LC 振荡器、环形振荡器和张弛振荡器。其中RC张弛振荡器通过控制电流对电容充放电，灵活性强，具有易于集成和工艺兼容强等优点，成为片上时钟源具有吸引力的选择[1-2] ，被广泛应用于各种领域，例如微控制器芯片[3-4]。但在实际电路中，为了保证系稳定工作，要求片上张弛振荡器提供高性能时钟信号。为了解决这些问题，本文提出一种新颖张弛振荡器，具有低温漂高精度和宽输出范围特性，其结构简单易于实现。

2传统张弛振荡器

典型的电压模RC张弛振荡器结构[6-8]如图1所示，图中：MOS 晶体管PM0～PM2构成电流镜，用于产生比较器的参考电压VREF和输入电压VC/VD，输出电压 OUTA和OUTB；左侧电流 IREF为RC振荡器提供参考电流，通过镜像管PM2得到镜像电流N*IREF经过电阻（R0）产生参考电压VREF，通过镜像管PM1得到镜像电流M*IREF对电容（C1/C2）进行周期性充电；理论上当 CLK为低时，VC通过PM1和PM4进行对C2充电至VREF时，比较器CMP0的输出电压OUTB跳变至高电平；同时，VD则会通过NM0对C1放电降到0，比较器CMP1的输出电压OUTA跳变至低电平，振荡器输出状态改变，同时C1/C2充放电状态进行切换，即C1充电C2放电。该结构通过对电容充放电，输出周期性振荡波形．RS触发器构成的锁存逻辑使振荡频率输出波形边沿更陡峭。

记振荡周期为TCLK，电阻R0和电容C1/C2的时间常数为τRC，有限带宽比较器延时为τCMP，则振荡频率表达式：

FRECLK=1/（τCMP+τRC）=1/（τCMP+C1/2NR0/M）

对于图1所示的RC振荡器电路，存在以下缺陷：首先，两个比较器导致动态功耗较大；其次，多晶硅电阻随温度、电压、工艺角有±10％变化，MOS电容随电压、温度、工艺角超过±10％变化；再者，比较器等逻辑引入的延时变化最终导致输出时钟CLK频率可能存在±20％的偏差。因此该结构具有温漂特性较差和功耗高的缺陷。

3本文提出的振荡器结构

针对典型的 RC 振荡器存在的不足，本文提出了一个低温漂高精度宽输出范围的电压模RC张弛振荡器（以下简称本文 RC 振荡器），如图2所示，图中主要包括偏置电压模块、基准电流、可编程电流镜、张弛振荡器单元和整形逻辑模块。

结合图2所示，该振荡器主要包括上电初始化阶段、频段选择阶段、频率粗调和细调阶段以及温度补偿阶段，具体工作原理描述如下：

1、上电初始化阶段

张弛振荡器主要基于偏置电压模块为基准电流和可编程电流镜提供正确的偏置电压，可编程电流源的控制信号Ctrl_0～Ctrl_N、微调控制码Fine_Code、粗调控制码Carse_Code以及温度补偿控制码Temp_Code基于默认值（中间控制码）产生相应的基准电流和电流源，大小可以表示为：

Va=8*VREF/5-3/10*（Vc+Vd）

其中k为微调控制码对应的十进制数，取值为0～7；Req1为R3/R5/R7/R9形成电阻串支路的等效电阻，VBE为第一三极管Q1的B端和E端的电压差，Req2为R4/R6/R8电阻串的等效电阻；电流源电流大小可以表示为：

Isource=N*IREF

张弛振荡单元基于VP和VN控制信号实现对C1/C2的充放电，输出对应的锯齿波波形，整形逻辑对张弛振荡器的锯齿波波形进行比较产生对应的脉冲信号，该信号被边沿采样实现锯齿波到周期脉冲信号的整形，并通过二分频实现初始频率的时钟信号输出，同时反馈到张弛振荡单元控制对C1/C2的充放电。

2、频段选择阶段

基于上电初始化过程，张弛振荡器产生初始频率的时钟信号，同时基于目标频率选择对应的可编程电流源控制码Ctrl_0～Ctrl_N，将输出频率调节到与目标频率同一频段的频率范围内，输出频率可以表示为：

Fre=N*IREF/（2CV1）

其中N*IREF为电流镜的电流大小，C为C1/C2的电容值，V1为张弛振荡器输出节点V0的最大电压值；

3、频率粗调阶段

根据频段选择后的输出时钟频率与目标时钟频率之间的频差，通过粗调控制码Carse_Code对粗调电阻阵列R5/R6进行调节，改变基准电流从而调节可编程电流源电流大小；当VOUT时钟频率低于目标频率时，通过Coarse_Code减小电阻R5和R6的阻值；反之则增大电阻R5和R6的电阻值；通过调节R5和R6的电阻值，逐渐减小二者频差，当频差进入粗调误差范围内时，粗调工作完成，进入频率微调阶段；整个粗调过程基准电流可以表示为：

IREF= Va/Req1+（Va-VBE）/Req2

Va=8*VREF/（1+k）-（7-k）/（2+2k）*（Vc+Vd）

其中k为微调码对应的十进制数，取值为0～7；Req1为R3/R5/R7/R9形成电阻串支路的等效电阻，VBE为第一三极管Q1的B端和E端的电压差，Req2为R4/R6/R8电阻串的等效电阻。

4、频率微调阶段

要通过Fine_Code选择不同的节点电压进行反馈电压，继而调节节点Va的电压，从而通过调节基准电流实现频率调节；当输出频率偏高时，选择Va节点进行反馈，降低输出频率；当输出频率偏低时，选择Vc/Vd节点进行反馈，提高输出频率；对于不同的微调控制码。当频差进入微调范围内，微调工作完成，进入温度补偿阶段。

5、温度补偿阶段

通过频率粗调和微调控制码对应的有效阻值，获得左右两条电流支路的电阻比例，基于可调电阻R7不同阻值大小对应的温度系数补偿权重采用Temp_Code对R7阻值进行调节；假设其中电阻对温度表现出正温度系数λ1，第一三极管Q1的VBE电压表现出负温度系数-λ2，因此只要保证在不同温度下两条之路的电流变化量相同，方向相反，则可以实现不同温度下电流IREF不变。

本设计利电阻对温度表现出正温度系数，三极管的VBE电压表现出负温度系数，因此只要保证在不同温度下两条支路的电流变化量之差引起的频率变化量与比较器受温度影响引起的频率变化量相同，方向相反，则可以实现不同温度频率不变，同时利用可编程控制码对电阻权重进行调节，实现不同工艺条件下的温度补偿，实现振荡器的输出频率受温度变化的影响降低，输出精度大大提高。同时利用可编程的频率粗调控制码和微调控制码实现高精度的频率输出，并结合充放电电流可编程技术，实现宽范围的频率输出。

4测试结果

本文中的振荡器集成应用于32bit M0微控制器芯片，采用SMIC0.18um工艺流片验证，具体的芯片照片在图3中给出，芯片面积约为5.2mm2，采用QFN48封装，芯片静态功耗为3μA，振荡器单元尺寸为0.1mm×0.3mm，功耗约为75μW。

为了验证本文提出方法的有效性，分别对5颗芯片进行温度、电源特性和范围测试，当RC张弛振荡器的电源电压为1.5V时，温度范围从-40℃到125℃，每间隔10℃对各RC张弛振荡器的输出频率和充放电电流进行一次测量。

图4描述5颗芯片振荡器单元频率测试曲线。对于温度特性曲线，电源电压为1.5 V，温度为-40～125 ℃，每隔10 ℃对振荡器电路单元输出频率进行测量。芯片振荡器输出频率的温度系数范围为49.51～ 116.59ppm。对于电源特性曲线，在电源电压从1.35Ｖ到1.65Ｖ变化时，各芯片的输出频率变化小于±0.63％。对于频率范围测试，在不同频段下实现的频率范围输出为12～48MHz。

表１的对比中可知，本文中振荡器在面积较小的情况下，得到了较好的温度特性，频率的电源特性和其他参考文献相当，验证了本文提出方法的有效性。相比于其他文献，本文中的振荡器输出较宽的频率范围，在应用上具有较强的竞争力。

5 结束语

本文基于SMIC0.18um工艺设计了一款新颖张弛振荡器，采用可编程电流镜实现高精度宽范围输出，基于温度补偿，实现低温漂特性。芯片测试结果表明，当电源电压在 1.35～1.65V变化时，输出频率变化小于±0. 63%；当温度在-40～125℃变化时，输出频率的温度系数为116.59ppm，输出频率范围为12～48MHz，测试结果表明本文RC振荡器具有低温漂、高精度以及宽频率输出范围的特性。

参考文献：

[1] 桑森. 模拟集成电路设计精粹[M]. 陈莹梅，译.北京：清华大学出版社， 2021： 207-229.

[2]梁国辉.一种32MHz低温漂高精度张弛型振荡器的设计[J].集成电路应用，2024，41（06）：6-7.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2024.06.003.

[3] 毕查德·拉扎维. 模拟 CMOS 集成电路设计[M]. 陈贵灿， 程军， 张瑞智， 等译. 西安： 西安交通大学出版社， 2018： 458-461.

[4]田文文，李娜.一种高精度全集成50MHz振荡器[J].微电子学，2023，53（01）：31-35.DOI：10.13911/j.cnki.1004-3365.210510.

[5]危林峰，李文昌，尹韬，等.一种低温漂张弛振荡器设计[J].半导体技术，2023，48（01）：31-36+72.DOI：10.13290/j.cnki.bdtjs.2023.01.005.

[6]谢永宜，刘成，江喜平，等.一种低成本高性能张弛振荡器[J].中国集成电路，2017，26（07）：34-37+41.

[7]付鑫，冯全源.一种频率可调低温漂振荡器的设计[J].电子元件与材料，2016，35（07）：68-71.DOI：10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.016.

[8]柯志强，张涛.一种高精度张弛振荡器的设计[J].电子器件，2014，37（03）：412-415.

作者简介：郭斌（1984.8）男，汉族，江西吉安，硕士，工程师，从事数模混合芯片设计工作