一種片外電容交叉充放電型振蕩電路設計
電子技術應用 2023年3期
曹楊，曹振吉，曹靚，趙桂林
（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
摘要： CMOS環形振蕩器具有版圖面積小、調諧范圍大、電路簡單便于集成等優點，廣泛應用于各類電源系統及電子通信應用中。在常規的環形振蕩電路基礎上，設計了獨立的充放電控制通路，實現了一種交叉充放電型環形振蕩電路，并通過外接片外電容的方式，得到更低頻率的振蕩周期。基于0.18 μm工藝，采用HSIM工具對電路進行功能仿真，經過后端物理實現后，版圖面積為172 μm×76 μm，對電路進行提參后仿，結果表明：在3.3 V電壓及25 ℃條件下，外接10 nF接地電容時，電路獲得約1.2 ms的穩定振蕩周期。在Vcc=2.7 V~5.5 V、T=-55 ℃~125 ℃條件下，時鐘周期的最大偏移為5.83%。該電路已成功應用于某電源控制芯片中。
中圖分類號：TN432 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223029
中文引用格式： 曹楊，曹振吉，曹靚，等. 一種片外電容交叉充放電型振蕩電路設計[J]. 電子技術應用，2023，49(3)：77-81.
英文引用格式： Cao Yang，Cao Zhenji，Cao Liang，et al. An oscillator circuit with cross charge and discharge by off-chip capacitors[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：77-81.
中文引用格式： 曹楊，曹振吉，曹靚，等. 一種片外電容交叉充放電型振蕩電路設計[J]. 電子技術應用，2023，49(3)：77-81.
英文引用格式： Cao Yang，Cao Zhenji，Cao Liang，et al. An oscillator circuit with cross charge and discharge by off-chip capacitors[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：77-81.
An oscillator circuit with cross charge and discharge by off-chip capacitors
Cao Yang，Cao Zhenji，Cao Liang，Zhao Guilin
(The 58th Research Institute， China Electronics Technology Group Corp.， Wuxi 214035， China)
Abstract： CMOS Ring Oscillator has many advantages such as small layout area, large frequency range and easy integration. It is widely used in the DC-DC buck converter and electronic communication systems. On the basis of the traditional ring oscillator circuit, an independent charge and discharge control path is designed to realize a cross charge and discharge ring oscillator circuit, and a lower frequency oscillation period is obtained by externally connecting an off-chip capacitor. Based on 0.18 μm process, the circuit has been simulated with HSIM tool. After the back-end physical implementation, the layout of the oscillation occupies an area of 172 μm×76 μm. Using tools to extract parasitic parameters from the layout and conduct post-simulation, the simulation results indicates that with externally connecting an off-chip capacitor, and the power supply voltage in 3.3 V and temperature in 25℃, the oscillator has a clock period of 1.2 ms. With the power supply voltage changes in 2.7 V~5.5 V and temperature changes in -55℃~125℃, the frequency deviation is 5.83%.The circuit has been successfully applied in a power management chip.
Key words : ring oscillator；charge and discharge of capacitor；power management chip；clock
0 引言
壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator, VCO）作為時鐘產生電路，作為各類通信系統的核心組成部分，被廣泛應用于鎖相環（Phase Locked Loop, PLL）、高速時鐘、數模轉換器（Analog-to-Digital Converter, ADC）等多個領域。當前主流的壓控振蕩器分為LC振蕩器和環形振蕩器。LC振蕩器通常由片上電容、電感和有源器件構成，品質因素較高，顯示出良好的相位噪聲特性，然而，調諧范圍有限、片上電感面積較大、與CMOS工藝兼容困難等問題也成為LC振蕩器的關鍵性缺陷。相比之下，環形振蕩器具有調諧范圍大、支持多相位輸出、占用面積小、電路簡單便于集成、成本低等優點，在CMOS工藝、片上系統的快速發展下，成為一種很有吸引力的選擇并被廣泛應用。
環形振蕩器是由多個延遲單元串聯形成的閉合環路，其噪聲抑制能力較差、受電源電壓影響較大，導致產生的振蕩周期并不穩定，并不適用于設計高性能環形振蕩器。因此，本文提出一種具有獨立的充放電通路、頻率可調的振蕩電路結構，分別由兩個不同的電容交叉充放電形成穩定的振蕩頻率，同時，通過外接納法級電容，突破集成片內電容約皮法級的大小限制，得到低于1 MHz的較低頻率振蕩周期。
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作者信息：
曹楊，曹振吉，曹靚，趙桂林
（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）
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