一种数控反馈自校准温度补偿RC振荡器
发布时间：2020-05-31 12:14
【摘要】：随着近年来可穿戴设备、物联网、智能家居和人机界面的快速发展,特别是中国互联网大众创新的浪潮推动下,智能设备需求的迅速发展与推广,MCU的市场需求与功能要求也是日新月异,发展迅速。与此同时,MCU设计的要求也越来越高,并且运行的温度条件也日益苛刻。因此MCU片上集成时钟RC振荡器不仅要求低成本低功耗,还要求输出减少频率受电压和温度变化的影响。本课题就探讨RC振荡器如何抵消温度变化的影响并提出一种新的温度补偿方法。RC振荡器温度补偿的设计方法国内外已经有很多研究成果,但是通过分析发现大多数方法或者实现成本和复杂度较大,或者温度补偿不能动态调节,对大跨度的温度补偿和器件老化的可靠性来说不利。结合不同方法的优点后确定的温度补偿方案是能自动调节的数字控制反馈电路设计。然而振荡器的动态温度补偿需要以最快的速度完成,因此数字调节码搜索算法选择和优化成为另一个关键问题。通过对当前测试过程中常用的数字调节码搜索算法的研究和分析后,提出了一种更好的搜索算法来实现。同时结合RC振荡器采用的结构和实现的温度补偿调节电路,经过对算法优化,使得新算法的硬件实现更简单。整个方案设计实现后会做电路的混合信号仿真,并确保在0.13μm CMOS工艺和1.8V-3.6V条件下,在-35℃到105℃温度范围内频率的温度系数不超过±1.5%。最后流片,并对芯片进行测试验证。
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文反馈回路补偿设计[11-12]和数字控制调节补偿设计。这两类方法都能实现振荡器输出时钟在较大的温度变化范围内保持在一个稳定的变动范围非常小的频率上。1.2.1 自校准回路温度补偿方法分析一种常见的自校准回路温度补偿方法是利用积分器设计一个延时回路对参考电压进行自动调节，从而通过校准时钟脉冲的宽度来实现温度补偿。图 1-1[13]所示的设计就是对典型的张弛振荡器的两个比较器的正端输入，利用积分运算放大器设计了一个误差反馈回路“IEF”模块，通过调节 Vc1和 Vc2节点的峰值电压来改变比较器输出沿的延时，从而达到对 RS 触发器的置位和复位延时的自校准。流片测试结果显示在-20℃到 100℃温度范围内，输出频率变化不超过±0.13%。但是这个设计的参考电压生成使用了运算放大器，其失调电压的变化会对最终频率产生影响，而运放的延时倒可以被 IEF 电路实现自校准，因而运算放大器的失调电压的稳定性是设计的重点。另外这个设计使用了四个运放，面积和功耗都不会小，对于低功耗和低成本设计来说不合适。
图 1-2 积分运算电压反馈温度补偿经典张弛振荡器设计Fig.1-2 Classical relaxation oscillator with temperature compensation by Integral operation voltagefeedback该设计实现的RC振荡器在-30℃到120℃温度范围内获得了±0.5%的频率稳定性，比图 1-1 的设计简化了很多，只用到一个积分运算放大器。而且采用了数字辅助电路对输出频率进行了处理。但该辅助设计的运用延时的方法对时钟处理并得到多个时钟输出反馈回主体设计中对开关进行动态控制，这对时钟延时的实现要求较高，在各种极端情况下容易失配而增加反馈补偿机制的误差。再有就是积分运算放大器的运用给 RC 振荡器的面积以及功耗都有不小的成本增加。此外，还有其他类似的研究和实现，文献[15-16]的设计思路就是设计一个反馈回路并实现输出频率能锁定在一个温度不敏感的输入参考电压上。为此设计了一个输出频率转换为电压的转换电路，并且利用积分运算设计成线性温度补偿电路，最终消除频率对温度的敏感性，，但是面积和功耗都不小。1.2.2 数字调节电路实现的温度补偿方法分析为了降低设计难度、面积和功耗，越来越多 RC 振荡器的温度补偿方法采用
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN752
本文编号：2689842
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文反馈回路补偿设计[11-12]和数字控制调节补偿设计。这两类方法都能实现振荡器输出时钟在较大的温度变化范围内保持在一个稳定的变动范围非常小的频率上。1.2.1 自校准回路温度补偿方法分析一种常见的自校准回路温度补偿方法是利用积分器设计一个延时回路对参考电压进行自动调节，从而通过校准时钟脉冲的宽度来实现温度补偿。图 1-1[13]所示的设计就是对典型的张弛振荡器的两个比较器的正端输入，利用积分运算放大器设计了一个误差反馈回路“IEF”模块，通过调节 Vc1和 Vc2节点的峰值电压来改变比较器输出沿的延时，从而达到对 RS 触发器的置位和复位延时的自校准。流片测试结果显示在-20℃到 100℃温度范围内，输出频率变化不超过±0.13%。但是这个设计的参考电压生成使用了运算放大器，其失调电压的变化会对最终频率产生影响，而运放的延时倒可以被 IEF 电路实现自校准，因而运算放大器的失调电压的稳定性是设计的重点。另外这个设计使用了四个运放，面积和功耗都不会小，对于低功耗和低成本设计来说不合适。
图 1-2 积分运算电压反馈温度补偿经典张弛振荡器设计Fig.1-2 Classical relaxation oscillator with temperature compensation by Integral operation voltagefeedback该设计实现的RC振荡器在-30℃到120℃温度范围内获得了±0.5%的频率稳定性，比图 1-1 的设计简化了很多，只用到一个积分运算放大器。而且采用了数字辅助电路对输出频率进行了处理。但该辅助设计的运用延时的方法对时钟处理并得到多个时钟输出反馈回主体设计中对开关进行动态控制，这对时钟延时的实现要求较高，在各种极端情况下容易失配而增加反馈补偿机制的误差。再有就是积分运算放大器的运用给 RC 振荡器的面积以及功耗都有不小的成本增加。此外，还有其他类似的研究和实现，文献[15-16]的设计思路就是设计一个反馈回路并实现输出频率能锁定在一个温度不敏感的输入参考电压上。为此设计了一个输出频率转换为电压的转换电路，并且利用积分运算设计成线性温度补偿电路，最终消除频率对温度的敏感性，，但是面积和功耗都不小。1.2.2 数字调节电路实现的温度补偿方法分析为了降低设计难度、面积和功耗，越来越多 RC 振荡器的温度补偿方法采用
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN752
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 张科峰;林映嫣;张兢;刘三清;;具有外同步功能的窗口比较式CMOS振荡器的设计[J];微电子学与计算机;2007年12期
本文编号：2689842
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