低功耗低频高精度RC振荡器设计.docx

第三届“九同方”杯
大学生集成电路设计大赛
作品报告暨华中科技大学暑期生产实习报告
比赛题目:
A Low Power 48MHz Oscillator using XMC 55lp Process
(本科生组)
队名:
姓名:
学号:
专业:
目录
3
3
引言 3
3
电路设计 4
环形振荡器模块设计 5
温度,电源补偿补偿模块 10
12
14
20
输出电流,功耗分析 20
输出尾对尾结构 21
输出频率稳定性进行分析 21
输出频率随输入电压变化波动性 22
输出频率随温度变化波动 25
输出频率随工艺变化产生波动 27
起振时间分析 30
31
32
7 参考文献 33
8 附录 33

Foundry: XMC
Process: 55lp
Supply Voltage: ~
Die Temperature: -20~85C
Output swing: rail to rail
Output frequency: 48MHz; typical,
<+-2% with trimming across process; (15%)
<+-6% across supply voltage and temperature (30%)
Duty cycle: 50%+-10% (15%)
Operation current: typical 120uA (20%)
Disable current: typical (10%)
Startup time: typical 5us (10%)

引言
振荡器广泛应用于医学、航空、通讯和电子等领域。尤其在集成锁相环中振荡器是必不可少的电路集成压控振荡器有几个重要的性能参数如低功耗、低相位噪声和小的版图面积。本文所提到的压控振荡器都是指集成压控振荡器对于振荡频率在48MHZ的振荡器。对于振荡频率在1GHZ以下的振荡器, LC型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低,并且便于采用标准工型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低。而环形压控振荡器能够提供相对较高的相位噪声、宽泛的震荡频率范围、较小的版图面积和较低的功耗。本文采用“武汉新芯标准55nm工艺”使用环形振荡器电路实现功能。

考虑的使用“武汉新芯标准55nm工艺”,因此需要首先对相应管子进行单仿,经过单仿发现,在该工艺条件下,个器件的特性与此前接触的工艺下,并没有太大变化,可以仍然按照以前的方式进行使用,即不需要在电路设计中进行特别设计。下图为NMOS的I-V特性曲线图1所示:
图1
电路设计
为了实现低功耗,低驱动电压,高工作频率,高稳定性的要求。本文提出了一种解决环形振荡器温度漂移的高阶补偿方案,利用MOS 管的I-V 特性和双极型晶体管正向电压的负温度系数,产生补偿电压进而控制环形振荡器的振荡频率。同时利用线性稳压器对电压的波动进行抑制,使其具有良好的电压特性。因此本电路在设计环形振荡器时间将利用到环形振荡器模块,电压补偿模块,温度补偿模块,工艺补偿模块,延时模块,从而实现电路的高效,高稳定性工作。
具体的电路工作流程如图1所示:

图2 振荡器体系结构
该体系结构的工作原理分析如下:
如图1电路所示,线性稳压器线性稳压器将片外的电源电压VBAT 转换成内核电压VDD,提供给电压补偿电路,温度补偿电路,工艺补偿电路,振荡器主体电路和差分转单端电路,此外,补偿电路中的基准电压VREF由线性稳压器提供。环形振荡器是产生波形的主体电路,由差分延时单元组成,其输出通过一个差分转单端的电路,将差分信号转换成适用于标准方波信号输出,其占空比为50%。补偿电路根据环境的变化,产生适当的VCTRL 电压,通过偏置电路来影响环形振荡器的振荡频率,使其保持在48MHz不变。
环形振荡器模块设计
在现代电子电路系统中,石英晶体振荡器具有高的品质因素,能精确的定义谐振频率,提供系统标准参考源,因而扮演了极其重要的角色。晶体振荡器常常作为系统时钟,低功耗、高稳定性成为设计时要考虑的重点因素。
为了保证可靠的起振,振荡器在开始起振时的环路增益T =AF 要大于 1,一般情况下取T =AF 的值为 5 到 10,于是依靠振荡器在