一种可数字自校准的环形振荡器的设计

发布时间：2020-05-20 21:52

【摘要】：在通信、工业控制、仪表、医疗等诸多领域中,振荡器起到非常重要的作用。在集成电路技术日益进步,集成度不断提高的背景下,振荡器与其他的模块集成在一起,进入单片集成的时代。片上CMOS振荡器的性能,主要会受工艺偏差,温度变化以及供电电压波动的影响,导致实际生产出来的振荡器的频率会与预期产生一定的偏差。为了弥补工艺偏差与温度变化对振荡器频率的影响,较为普遍的方法是设计出温度或者工艺方面的补偿电路应用于振荡器中,以削弱温度,工艺对振荡器性能的影响。针对上述情况并结合近年来相关的文献,本文设计了一种可数字自校准的环形振荡器,此电路的整体工作原理为:通过数字自校准算法比较环形振荡器与外接参考时钟的频率大小,对控制字进行调整从而改变环形振荡器的工作电流,然后把环形振荡器的频率校准到预期的范围内。本设计可以有效地补偿工艺偏差对振荡器频率造成的影响。本文所做的主要工作为:首先,设计了一种频率可调节的环形振荡器,通过改变工作电流的大小,可以调节其频率。同时,采用工作电流供电可以降低其振荡幅值,从而减少其功耗,经过电平转换电路和整形电路后的时钟信号可直接供后续电路使用。其次,设计了电压-电流转换电路和带隙基准源,通过控制字调节电压-电流转换电路中开关电阻阵列的阻值,可以改变环形振荡器的工作电流的大小。带隙基准源为电压-电流转换电路提供了一个温漂系数很小的基准电压。然后,设计了数字自校准算法,通过数字自校准算法可以完成频率比较,控制字修调,精确比较以及判定校准完成等操作,校准完成后对控制字进行了EEPROM的读写设计。最后,对本文中模拟和数字部分进行了版图设计。本文基于TSMC 0.35μm工艺,在cadence平台进行了设计和仿真,对片上CMOS振荡器的研究与设计具有一定的参考价值。
【图文】：

示意图,饱和区,电容,示意图

影响也是不一的。其中，金属电阻呈正温度特性；多晶硅电阻接近；掺杂电阻则表现为负温度特性，因为本征载流子的浓度随温度升般来讲，在设计中一般需要采用同一电阻来确保匹配，但在一些特两种不同的电阻实现温度补偿。在 CMOS 工艺中，电阻的绝对精个电阻的阻值偏差可能会超过 15%，所以应用于精度要求较高的按照电阻的绝对值进行设计的方式。的非理想特性：标准 CMOS 工艺库中的电容也有许多种类型，金属间的寄生效应产生电容；PIP 电容由两层多晶硅极板间的寄生P 电容和 MOM 电容的相对精度较高，而且非线性没有 MOS 电容OS 电容主要由栅源极的寄生电容 Cgs、栅漏极寄生电容 Cgd 及栅电容 Cgb 组成。其中，Cgb 相对于 Cgs 与 Cgd 的值可忽略不计。线性的影响，MOS 电容会表现出强烈的非线性。如图 2-1 所示，，为作于饱和区时，寄生电容的示意图。MOS 器件工作在不同的区域生电容的状态也不一样。

自校准,数字,原理框图

图 2-3 数字自校准原理框图Figure 2-3 The schematic diagram of digital self-calibration作原理为：通过可校准电流 IC对 RC 振荡器中的电容 C1、C2 充放生芯片中数字算法部分需要的高频高精度的时钟信号 CLK。把环形置电流设计成与热力学温度成正比的关系，则其输出时钟频率会对温敏感，相当于一种“温度传感器”，然后把其输出信号 CLK_ref 作为数的参考时钟信号；数字自校准模块同时对信号 CLK_ref 与信号 CLK 数的比较结果，调整电流镜的开关使 RC 振荡器的工作电流 IC改变，上实时温度自校准的功能。计的优点为，在芯片整体校准过程中，不需要外接其他的参考时钟内部的环形振荡器就可以进行 RC 振荡器的频率校准工作，能够在很制温度变化对振荡器频率的影响。此设计也具有一定的局限性，只考对 RC 振荡器的影响，做出了校准调整，没有考虑工艺偏差等因素对率的影响，而且这种校准方式不能使振荡器的频率校准达到一定的
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN752

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