应用于电源监控芯片的高精度、低功耗RC,振荡器设计
时间：2023-05-28 13:10:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
尚林林，周盼，赵鹏
（深圳市国微电子有限公司，广东 深圳 518000）
常见的DC-DC 电源、电源监控等电源芯片，一般会使用振荡器电路产生时钟信号，用于延迟、监控等。而完全集成的RC 振荡器具有较好的温度变化性能，可以用来取代晶体振荡器，以减少电源芯片的尺寸和成本[1-3]。RC 振荡器的频率和功耗是其主要的性能指标[4-5]。但是RC 振荡器的频率易受到电源电压、温度的影响，传统RC 振荡器结构中的比较器迟滞时间也会给振荡器频率带来误差[6]。
如何减少温度、电源电压对振荡器周期的影响是设计高精度RC 振荡器的主要难点。当前RC 振荡器电路温度补偿的诸多方案中，常见采用正负温度系数线性电阻叠加，产生不受温度影响的充电电流[7-8]，具有结构简单、容易实现等优点，但是也存在线性补偿的电阻阻值易受温度、电源电压发生较大的变化，阻值精度不够等缺陷。对于电源电压补偿的方案中，主要利用电源到地的分压电阻产生与电源电压成比例的翻转电平[9]，虽然这种结构可以有效地消除电源电压变化对振荡器周期的影响，但也存在不足之处，很难产生与电源电压相关而与温度无关的充电电流。对于比较器的迟滞时间带来的误差，一般采用的是对称结构的双比较器结构[10]，可以有效消除比较器迟滞时间带来的误差，但是也存在电容和比较器的失配造成的误差[11]，同时会增加电路的复杂程度，增加功耗和电路实现成本。
如图1 所示，本文设计的高精度、低功耗RC 振荡器由基准模块和RC 电路产生模块构成。其中基准模块包括基准产生电路和带5 位译码器的高精度数字修调电路；
RC 电路产生模块包括比较器、整形模块和D 触发器构成。所设计的是一种单比较器结构的RC 振荡器，采用窄脉冲触发的形式，产生固定占空比的振荡信号。比较器为固定参考电压VREF，可以有效减小单比较器由于比较器参考电压的改变，导致时钟信号上升沿的时间和下降沿的时间不完全相等，带来时钟周期误差[12]，并通过引入电源电压补偿电路和温度补偿电路使其对电压、温度的敏感度降低,从而提供稳定且精确的时钟信号。同时RC 振荡器产生电路只有一个比较器、整形模块和D触发器，电路具有结构简单、功耗较小、成本较低等特点。
1.1 RC 振荡器结构分析
本文所设计的RC 振荡器其工作原理与一般比较器结构的RC 振荡器类似，不同的是采用的单比较器加D触发器结构，采用的窄脉冲触发的形式，产生一定周期的时钟信号波形。其中PMOS 管MP0、MP1、MP2 的宽长比相同，NMOS 管MN1 和MN2 的宽长比相同，在比较器的输出端添加C2为滤波电容，可以减小电源变化对施密特反相器翻转电平的干扰。图2 所示为所设计的RC振荡器原理示意图，镜像电流IREF对电容C1充电，当电容C1上的电压达到比较器参考电压VREF时，比较器输出端从高电平翻转为低电平，MN3 管打开，电容C1快速放电到低电平；
然后经过复位延迟时间（rst）后，比较器输出端从低电平翻转为高电平，关闭MN3 管；
电容C1开始充电，当电容C1上的电压达到比较器参考电压VREF时比较器输出端从高电平翻转为低电平，MN3 管打开。再通过整形模块减小电源对信号的干扰，反复进行在P点处产生周期性的窄脉冲方波信号最后通过D 触发器，产生固定占空比的振荡信号。
1.2 振荡器周期
振荡器的周期主要由四部分时间组成：电容C1充电到比较器VN端电压的时间t1；
比较器输出端从高电平向低电平跳变的迟滞时间tf；
比较器输出端从低电平向高电平跳变的迟滞时间tr；
RC 产生电路的传输延迟τ。振荡器周期T 见式（1）：
其中rst、td、tsw分别为复位延迟时间、整形模块延迟时间、开关管MN3 的延迟时间。td、tf、tsw都在10 ns 以内，对振荡器周期精度影响很小。所以振荡器周期T 等效于：
其中RC 产生电路的传输延迟τ 主要是比较器失配和电路传输延迟导致的。为了设计低失调电压比较器，增大了输入对管的面积，同时在版图上也进行了高精度匹配布局等。所设计电路没有高阻抗节点，整体电路的传输延迟比较小，对振荡器周期影响不大。下面具体计算t1、tr的值：
其中VREF是与电源电压和温度无关的带隙基准电压；
VH是施密特反相器的高电平翻转电压；
IREF、IVDD分别为受温度影响的电容C1充电电流、受电源电压影响的VDD对电容C2的充电电流。通过式（4）、式（5）可知，t1、tr受温度和电源电压的影响。
1.3 电源电压补偿电路
图1 中整形使用的CMOS 施密特反相器的结构如图3 所示，其翻转电压VH和VL与MOS 管的宽长比有关。PMOS 管宽长比相同，NMOS 管的宽长比也相同时，可以得到：
由式(6)、式(7)可以看出VH、VL与VDD相关，整形电路的阈值电压的变化会导致比较器迟滞时间的变化，造成振荡器的频率随VDD变化而变化。同时影响振荡器频率的主要是比较器输出由低电平翻转成高电平的迟滞时间tr。
引入图4 所示电源电压补偿电路，VDD可以对电容C2充电，当VDD变大时，施密特反相器的翻转电压VH变大，导致比较器输出翻转成高电平的迟滞时间变长，但VDD通过MP3 对电容C2充电电流也变大，使电容C2上的电压上升更快，减小迟滞时间，形成负反馈。利用这种负反馈作用，可以减小VDD对振荡频率的影响。
当VN端电压降到与VP端电压相等后，比较器偏置电流nIREF对电容C2充电。此时图4 中的MP3 管已经开启，VDD通过R4对电容C2充电，从0 充电至VH，平均充电电流近似为IVDD≈，从低电平向高电平跳变的迟滞时间tr为：
将式（8）带入式（5）中，可得：
其中VTHN为NMOS 管的阈值电压，IREF是本文所要设计的与温度、电源电压无关的充电电流，n 为常数。理论上使IVDD＞nIREF，可以忽略比较器偏置电流nIREF的影响，认为第二项分子与分母同时变化，可以减小VDD变化对周期的影响，稳定振荡频率，达到电源补偿的目的。
1.4 温度补偿
MOSFET 进入稳态导通的情况下，其导通电阻具有正温度特性[13]。多晶电阻一般具有负温度特性，两者之间进行温度系数的线性叠加，产生零温度系数的电阻。具体实现方式如图5 所示。
补偿电路中的电阻和电流的关系如下：
其中R0为多晶电阻，RON为MN0 的线性导通电阻，R 为补偿后的等效阻抗。将式（10）对温度求偏导有：
当式（12）的值为0时，R 对温度的偏导数为0，即该支路的等效电阻对温度不敏感，理论上可以得到零温度系数电流IREF。所以设计合适的R0和RON，可以得到与温度无关的电阻R，达到温度补偿的目的。由于参考电压VREF的偏差，无法保证在各种条件下都能产生恒定值的零温度系数电流IREF，因此引入带5 位译码器高精度、低功耗数字修调电路，确保在各种条件下都能产生恒定值的零温度系数电流IREF。
1.5 高精度、低功耗数字修调电路
图5 中的NMOS 管MN0 工作在线性区，它的导通电阻RON，可表示为：
其中μncox为器件跨导参数，(W/L)MN0为MN0 管的宽长比，VGS、VTH分别是栅-源电压和阈值电压。传统的一般使VGS=VDD，会导致RON的阻值随着VDD变化，造成支路等效电阻R 的随着VDD波动，温度补偿难度增加。本文设计采用的VGS=VREF,保证RON具有较高的精度。图6 为带隙基准电路，包括启动电路、基准产生电路、修调电路。
图7 是高精度、低功耗数字修调电路。包括低功耗的电流比较器模块、5 位译码器、电阻修调网络。
如 图7所示，FUSE ＜0:4 ＞为熔丝PAD，F ＜0:4 ＞为 所对应的控制信号，作为译码器的输入信号。rm为熔丝电阻（未烧断之前是mΩ 级别，烧断后≥1 MΩ），电流比较器每条支路偏置电流相等，其中M1～M4 器件的宽长比相同，M0 的宽长比小于M1 的宽长比。当rm未熔断时，F＜X＞保持低电平，当rm熔断后，rm为高阻态，F＜X＞输出高电平。F＜X＞为译码器的输入信号，译码器根据输入信号的代码情况输出相应的控制信号到电阻修调网络模块中，控制级联电阻输出的个数，实现修调的效果。本电路VREF在PVT 环境下，变化范围为：-2.5%～2.5%，数字修调电路可以实现正负16 位修调，修调精度为0.3%,可以满足VREF修调的需要。所设计电流比较器是一种低功耗结构，每条支路偏置电流为100 nA 左右。图8为IREF补偿前后对比图，图9 为IREF在不同电源电压下温度扫描仿真情况。
本文RC 振荡器基于Cadence 平台，Spectre 仿真工具对整体电路进行仿真。仿真器电源电压范围为2.5 V～5.5 V，振荡器误差范围为-0.8%～+0.14%，仿真器温度范围为-40°C～125°C，振荡器误差范围为-0.3%～+0.79%。整个RC 振荡器电路最大工作电流为5.1 μA，其中RC电路产生模块最大工作电流为0.9 μA，振荡器输出频率为11.6 kHz。图10 为振荡器时钟信号波形。
图11、图12 分别是振荡器周期对电源电压和温度灵敏度仿真情况。
表1 为本文与近年相关文献[14-16]的主要性能参数对比，由表中数据可看到，本文的振荡器对电源电压、温度的敏感性较弱，对比同类型的论文，在核心参数指标上面有一定的竞争性。
表1 性能参数的比较
本文提出了一种结构简单的单比较器结构的RC 振荡器，避免了电路的复杂度，降低电路的实现成本。通过引入温度和电源电压补偿电路减小了振荡器频率对电源电压和温度的敏感度，设计了一种带5 位译码器的高精度数字修调电路，有效地提高了修调电阻的精度。电路采用0.35 μmBCD 工艺实现，仿真结表明，振荡器周期对电压的敏感系数为0.31%/V，对温度的敏感系数为57 ppm/°C，最大静态电流为5.1 μA，可满足高精度、低功耗电源监控芯片的性能需求。
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