晶体振荡器有正负极吗? 一种基于CMOS工艺的高精度片内振荡器的设计

　　摘要：采用恒流源充放电及温度补偿技术设计了一款结构简单、易于集成的片内振荡器。该模块的核心为利用带隙基准电流源产生一路零温度系数电流，并用该电流源对电容进行充放电；设置比较器的高低阈值电压的差值为负温度系数与电容的正温度系数相互补偿，尽可能减弱温度对振荡周期的影响，产生高稳定且占空比可调的矩形波。采用华虹NEC 0.35μm CZ6H工艺设计，经Cadence Spectre软件仿真表明标准状况下该模块振荡频率为6.321MHz，在-20到100℃的温度区间内其温度系数仅为42ppm/℃。
　　关键词：恒流源；振荡器；温度补偿；高精度
　　
　　Design of a on-chip CMOS Oscillator with High Precision
　　
　　CHEN Wei，SHI Long-zhao
　　（Fuzhou University DTV Engineering Center of Fuzhou university,Fuzhou,350002,China）
　　
　　Abstract: A kind of on-chip oscillator with simple structure and is easy to integrate was designed usingconstant current source charge-discharge and temperature compensation technologies .The key element of the circuit is a temperature independent bandgap current source generated from the superposition of PTA-T and NTAT currents .A capacitance was charged and discharged accurately by the current source whil-e the difference between the High threshold and Low threshold of comparator was designed to be NTA-T to compensate the PTAT of capacitance in order to weaken the impact of temperature to the period of oscillation, generating precious rectangle wave oscillation with duty ratio adjustable. This design is i-mplemented in HHNEC 0.35μm process. Spectre simulation shows up that in standard situation this mod-ule offers A 6.321MHz clock signal, and it’s temperature coefficient is only 42ppm/℃ from -20℃ to 100℃.
　　Key Words: constant-current source;oscillator;temperature compensation;high precision
　　
　　1 引言
　　
　　 数字电视技术的发展对于数字电视机顶盒的准确定时功能提出了很高的要求，为了不显著增加成本，将片上振荡器作为定时器的时钟源不失为一种很好的方案，但传统的RC振荡器振荡频率受温度、工艺、电源等因素影响较大，难以适应复杂环境应用的需求，因而需要对传统振荡器进行温度、工艺等补偿[1]。本文提出了一种新颖的温度补偿方法，并设计了一款恒流源充放电式片内振荡器，振荡器的核心为利用温度补偿原理设计的一款高精度带隙基准电流源，并设计了一种新型的恒流源充放电电路产生矩形波振荡器，产生高稳定的时钟信号。
　　
　　2 整体电路的结构与误差分析
　　
　　 本文所设计的振荡器是弛豫振荡器的一种，弛豫振荡器是利用各种具有双稳态的开关元件，如PMOS和NMOS开关管、比较器、触发器等控制电流支路的开与关，轮流对时钟电容进行充放电。节点电容上电压的上升和下降会导致后续门电路状态的周期性改变，形成振荡输出[2]。文献[3]、[4]分别提出了一种弛豫振荡器的实现方法，并在理想条件下得到了良好的结果，但都没有考虑温度对振荡精度的影响，实际电路中会产生很大误差；文献[5]未充分考虑电容的温度系数对于振荡频率的影响。本文通过对影响振荡频率的各种因素的分析，提出了一种新颖的温度补偿方法，并设计了一种新型恒流源充放电电路，电路结构精简，芯片面积小。
　　 电路的原理图如图1所示，其工作原理是：逻辑电路控制开关电路的打开与闭合以及比较器高低阈值的切换，开关1截止、开关2开启时，比较器正向输入端接入阈值高电平VTH ；电流源对电容充电直到大于VTH时，比较器输出翻转，使得开关1开启、开关2截止，逻辑电路控制比较器的同相输入端接入低电平阈值VTL，电容通过电流源对地放电，直到电容电压小于VTL，比较器输出再次翻转。如此重复以上过程输出端形成矩形波输出。
　　 设充电电流大小为I1放电电流为大小I2，根据电路原理通过电容的电流大小为：
　　 I=C （1）
　　 移项，两边积分有：
　　 dv=Idt （2）
　　 易解得振荡器的振荡周期为：
　　 T =T+T= （3）
　　 其中T1、T2分别为电容充电和放电的周期。当I1=I2，T1=T2时输出占空比为50%的方波，其振荡周期为：
　　 T = （4）
　　 式（4）中C1、I1、VTH 、VTL都是温度的函数，它们相互关联，情况比较复杂，为了便于仿真与实现，将I1与C1、VTH 、VTL分开考虑，I1由带隙基准源产生，并设计成与温度系数无关。集成电容C1对温度敏感，且只有正温度系数的电容，自身无法做温度补偿；ΔV=VTH -VTL也是温度的函数，且温度系数可控。假设温度τ1时，振荡周期为:
　　 T "= （5）
　　 温度τ2（τ2>τ1）时，振荡周期为:
　　 T "= （6）
　　 令T "=T "，则有：
　　 = （7）
　　 从上式可以看出当I1等于I1"时，电容C为正温度系数，ΔC为正值，为了使上式左右两边相等，ΔV必须大于ΔV "，即为了削弱电容的温度系数对振荡周期的影响，可以使ΔV 呈负温度系数变化，与电容的正温度系数互补。另外比较器和逻辑控制电路的传输延时对于振荡频率的稳定性也会产生影响，但相较于其他因素影响较小，为了便于分析本文不予考虑。本文的比较器采用了文献[6]介绍的高速比较器结构。
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　　3 电路的具体实现
　　
　　 3.1 高精度基准源电流源电路
　　 本文所设计的带隙基准电流源电路如图2所示：采用自偏置结构，ibias0和ibias1分别为基准源的运放和比较器提供偏置电流；由于运放虚短的作用，运放两输入端的电压值近似相等，且等于二极管方式连接的三极管Q1的基极―发射极电压VBE，VBE与温度成反比，因此流过电阻R1和R2的电流为负温度系数电流[7]；又由于运放的箝位作用，电阻R0上的压降等于两个三极管VBE之差，即：
　　 V=IR 0=V 1n（n） （8）
　　 n为Q0与Q1的发射结面积之比，其中 VT =kT/q为热电压，与温度成正比，因此流过Q1与Q0的电流为正温度系数（PTAT）电流。流过PM0与PM1的电流相等且为这两路电流的叠加，大小为：
　　 I=I=+ （9）
　　 调整R0与R1阻值大小比例可以调整基准电流的温度系数。为了获得最佳的零温度系数，可利用Cadence软件的Parameter Analysis（参数扫描）功能，改变R0和R1的比值对基准源的ppm值进行扫描[8]以获得R0、R1的最佳匹配值。集成电阻本身具有温度系数且存在制造误差，图2中的电阻采用高精度的RPOLYS电阻，并设计成指状交叉排列网络[9]，这种结构能减小制造工艺带来的阻值的误差，又能够提供很好的的匹配性。电流镜PM5镜像电流Iref1在电阻上产生压降作为比较器的比较基准电压输出。为抑制沟道长度调制效应的影响，电流镜管PM0~PM5的栅长L应取较大值[10]。PM6~PM8、NM2构成启动电路,当基准源电路中电流为零时,PM8导通，电源通过PM6和PM8节点充电，节点电位迅速抬高，正常工作情况下PM8的栅源电压 VGS 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文