一种调节供电进行温度补偿的高精度时钟电路*

刘铭扬 ，王小松 ，刘 昱

(1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学，北京 100049；3.新一代通信射频芯片技术北京市重点实验室，北京 100029)

0 引言

参考时钟于任何模数混合电路而言，都是尤为重要的组成部分。通常用来产生时钟信号的方式有两种：其一是使用片外晶体振荡器、陶瓷振荡器等，虽说可以输出恒定的频率，却难以避免地增加了整个系统的面积和成本；其二是设计片内集成振荡器，按照结构类型的不同，又可以划分为迟滞振荡器、LC振荡器和环形振荡器[1]。

相较于其他几种片内集成振荡器，环形振荡器仅由奇数个反相器串联而成，其功耗较低，结构简单，且输出频率不受限，所以应用范围更广。但环形振荡器的输出频率更容易受到工艺参数、温度和供电波动带来的影响，由此带来很大的时钟偏差[2]。如何对不可抗因素造成的偏差进行补偿，以提高环振电路输出频率的可靠性与稳定性，一直都是一项具有挑战性的工作。

目前国内外关于温度补偿的片内时钟振荡器设计，如文献[3-6]，大多使用包含运算放大器的带隙基准源、额外的片内电容、LDO稳压电路以及额外的补偿电压运算电路等进行补偿。而本文基于SMIC 0.18 μm CMOS标准工艺设计出的高精度时钟电路，无需繁冗的补偿单元，仅凭借基准电流源和超源跟随器级联的结构，便足以产生对温度自校准的补偿电压，来控制环形振荡器输出稳定的振荡频率，后又通过简单的倍压单元，最终可输出幅值为1.8 V、频率稳定在2 MHz、占空比为50%的时钟信号，其结构框架如图1所示。当温度变化为-40 ℃～85 ℃时，时钟偏差小于1%。当供电电压由1.6 V波动至2 V，在-40 ℃～85 ℃的温度范围内，时钟输出频率的最大变化范围仅为28 Hz。

图1 带温度和工艺补偿的高精度时钟电路结构框图

1 环振及其温度补偿原理

1.1 环形振荡器原理

最简单的环形振荡器由奇数个反相器串联而成，在设计中选取反相器个数为5个，如图2所示。其振荡频率为：

图2 五级反相器构成的环形振荡器

td为每一级反相器的传播延时，其定义如下：

其中Reqn和Reqp分别为NMOS和PMOS的导通电阻:

为方便计算，假设NMOS管与PMOS管的寄生电容与导通电阻相同，则有:

1.2 温度对环形振荡器输出频率的影响

环形振荡器输出频率受温度的影响主要来源于载流子迁移率与阈值电压对温度的依赖关系。

从文献[7]中，可以得到载流子迁移率与过驱动电压随温度变化的关系如下：

VTH(T)=VTH(T0)[1+TCVTH·(T-T0)](6)

由此得出修正后的振荡频率公式如下：

温度与环形振荡器输出频率呈负相关，温度越高，环形振荡器输出频率越低。仿真图2中环形振荡器输出频率随温度的变化，所得结果如图3所示。当温度由-40 ℃变化到85 ℃时，该环形振荡器输出频率的最大差值可达到993 kHz，频率偏差最高达到49.7%。

图3 五级环形振荡器频率随温度变化曲线

文献[8]以反相器输出电压的下降时间为切入点，推导出另外一种振荡频率的表达公式：

由式(9)可知，当VDD增加时，环形振荡器的输出频率也会随着增加，仿真图2中的环形振荡器，得到频率随供电波动的变化如图4所示。

图4 供电对环形振荡器输出频率的影响

供电与环形振荡器输出频率呈正相关，而温度与环形振荡器输出频率成负相关，这为我们提供温度补偿的思路，即将VDD更换为与温度呈正相关的VCTRL，随着温度增加，VCTRL增加，控制环形振荡器输出频率增加，以补偿温度增加造成的环形振荡器输出频率衰减。

2 调节供电进行温度补偿的高精度时钟电路设计

2.1 温度补偿单元设计

本设计中，补偿单元由自启动电路、基准电流源、超源跟随器三部分组成，其电路原理图如图5所示。

设置合适的宽长比，使NM3和NM4工作在亚阈值区，流经R1的电流IR1可表示为[9]：

其中VT=KT/q。

取NM4的宽长比为NM3的N倍，则有：

从而得到：

可以发现，IR1是一个与温度正相关的IPART电流，该电流以1：1的关系镜像至R2，可以推导出：

展开VR2可得出：

由式(14)可以得到VR2是一个正温度系数电压，且与温度呈线性关系，通过调节R1、R2、N，即可以补偿温度变化为时钟电路带来的偏差。

流经PM4、NM5、NM7的电流为IR1的等比复制，调整NM8的宽长比，使流经NM8的电流也等于IR1，即有|Vdsatp6|=Vdsatn8，展开Vsgp6可以得到：

图5 温度及工艺补偿单元电路图

由式(16)可知，通过适当调节NM8管的尺寸，可以调整Vsgp6，以调整VCTRL的值，既而消去温度及工艺偏差引发的阈值电压变化。

同时超源跟随器置于基准电流源与环形振荡器间，可起到缓冲作用，降低设计中对R2的阻值要求，但NM6、NM8构成了负反馈，必要时可以增加米勒补偿电容CM来提高环路的稳定性。

将式(9)中的VDD替换为VCTRL可得到本设计中的振荡频率公式。

此外针对实际制造过程中的工艺偏差，可通过修调基准电压源中R1的电阻值以消去工艺偏差引发的环振频率变化[10]。

2.2 倍压单元的设计

环形振荡器输出信号的幅值与VCTRL相等，若想作为时钟信号后续用于数模混合电路中，需对其进行一个抬升，图6所示为一个简单的倍压电路原理图，需注意将PM1的衬底连接至VDD以避免寄生PN结的导通[10]。

图6 倍压电路

3 电路仿真和测试结果

本文设计的带有温度和工艺补偿的高精度时钟电路基于SMIC 0.18 μm CMOS标准工艺进行仿真测试以验证正确性。

将温度扫描范围定义为-40 ℃～85 ℃，仿真时钟频率fCLK随温度的变化曲线如图7所示，时钟频率稳定在2 MHz，最大变化范围为19 kHz，时钟偏差小于1%。

图7 时钟频率随温度的变化曲线

分别在1.6 V、1.8 V、2.0 V三种供电下进行-40 ℃～85 ℃的温度扫描，得到的仿真结果如图8所示。时钟频率稳定在2 MHz，时钟输出频率最大变化范围为28 Hz。

图8 不同供电下时钟频率随温度的变化曲线

本文同其他文献的测试结果对比如表1所示，可以看出，相较于其他文献，本文的电路结构更为简单，补偿效果也更优。

表1 本文与其他文献测试结果对比

4 结论

本文设计了一种通过调节供电电压进行温度补偿的高精度时钟电路，时钟的振荡频率不受温度及工艺波动的影响。仿真结果表明，温度从-40 ℃变化到85 ℃时，时钟频率最大变化仅为19 kHz，时钟偏差小于1%；当供电电压由1.6 V变化到2.0 V时，在-40 ℃～85 ℃的温度范围内，频率变化最大值仅为28 Hz，且结构简单，更易与其他模数混合电路集成。