張 麒, 尹勇生, 許江超, 孟 煦

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 微電子設(shè)計(jì)研究所,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 教育部IC設(shè)計(jì)網(wǎng)上合作研究中心,安徽 合肥 230601)

頻率源的研究與設(shè)計(jì)是近現(xiàn)代電子領(lǐng)域的重點(diǎn),其為相關(guān)電子系統(tǒng)提供高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘信號(hào),在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)字信號(hào)發(fā)送器和接收器同步。因此頻率源的信號(hào)質(zhì)量直接影響或決定了雷達(dá)、導(dǎo)航、通訊、儀表或大規(guī)模數(shù)字電路的性能。

得益于良好的頻率穩(wěn)定性,片外晶體振蕩器(crystal oscillator,XO)幾乎是過(guò)去幾十年中的不二之選[1]。芯片會(huì)從外部獲得準(zhǔn)確的、不隨電源電壓和環(huán)境溫度變化的頻率信號(hào),在片內(nèi)進(jìn)一步通過(guò)鎖相環(huán)(phase locked loop,PLL)、延遲鎖定環(huán)(delay locked loop,DLL)產(chǎn)生所需的高頻頻率信號(hào)或多相位頻率信號(hào)。然而,片外元器件的使用會(huì)大大提升系統(tǒng)整體的成本。

隨著工藝的發(fā)展和電路技術(shù)的進(jìn)步,越來(lái)越多的電子元器件被集成至芯片之內(nèi),晶體振蕩器逐漸成為全片上設(shè)計(jì)的最后障礙。在CMOS工藝中直接集成晶振方案對(duì)光刻等加工工藝有著極高的技術(shù)壁壘,也大大延長(zhǎng)了制造周期。

近年來(lái),設(shè)計(jì)低溫漂的全片上振蕩器已經(jīng)逐漸成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的共同熱門(mén)研究課題[2-6],其中RC振蕩器和LC振蕩器均是良好的備選方案。RC振蕩器的芯片面積極小、功耗較低,相比LC振蕩器更加受到好評(píng)。但是,片上電阻溫度靈敏度較高,在溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性較差,其溫漂引起的總頻率誤差為1%～5%[3],進(jìn)一步提升對(duì)溫度免疫能力需要使用復(fù)雜的補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)。然而LC振蕩器中電感受溫度影響較小,其一階溫度系數(shù)fTC可能僅在-100×10-6℃-1的量級(jí)。考慮到LC振蕩器的相位噪聲性能亦遠(yuǎn)優(yōu)于RC振蕩器,其占用芯片面積較大的缺點(diǎn)是完全可承受的。

本文設(shè)計(jì)一款基于LC振蕩器的低溫漂片上振蕩器,通過(guò)隨溫度變化改變可變電容的偏置電壓,進(jìn)而彌補(bǔ)LC振蕩頻率隨溫度的變化。本文介紹LC振蕩器的基本原理,分析溫度變化對(duì)振蕩頻率的影響及LC振蕩器中的溫度補(bǔ)償方式,提出本文使用的補(bǔ)償方式,對(duì)關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行分析;最后由仿真結(jié)果得出結(jié)論。

1 溫度對(duì)振蕩頻率的影響

在理想情況下,LC諧振腔的本振頻率的計(jì)算公式為:

(1)

其中:L為諧振腔中的儲(chǔ)能電感;C為儲(chǔ)能電容。

由于制造工藝方面的限制,零損耗的無(wú)限質(zhì)量因數(shù)Q理想電感實(shí)際上是不存在的。實(shí)際的LC諧振腔分別用RL、RC表示電感金屬電阻損耗和電容內(nèi)的寄生損耗,電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其總阻抗的公式為:

(2)

由巴克豪森判據(jù)可知,實(shí)際的振蕩頻率應(yīng)是在相移∠Ztank為0的頻率點(diǎn),解得考慮損耗后的實(shí)際振蕩頻率為:

(3)

在幾個(gè)吉赫茲的頻段,電感的損耗顯著大于電容的損耗,因此式(3)可近似為:

(4)

圖2 諧振腔振蕩頻率和電感的損耗電阻隨溫度變化趨勢(shì)

2 LC振蕩器中的溫度補(bǔ)償方式

2.1 阻抗相位的零溫度工作點(diǎn)

式(2)中阻抗Ztank(s)的相位∠Ztank隨頻率變化的特性如圖3所示。從圖3可以看出,存在一個(gè)非零的相位θNULL,不同溫度情況下的∠Ztank-f曲線交匯于此。因此,如果令振蕩器工作在該非零相位處,那么振蕩器的溫漂特性可以被大大改善。

圖3 不同溫度下LC諧振腔阻抗的相位-頻率特性

在文獻(xiàn)[6]的電路結(jié)構(gòu)中添加一個(gè)環(huán)路相位為-θNULL的相位偏移模塊。這樣,只有當(dāng)諧振腔的阻抗處于相位為θNULL的情況時(shí),整個(gè)振蕩器才滿足巴克豪森標(biāo)準(zhǔn)。

最后所產(chǎn)生的頻率偏差如圖4所示,為數(shù)十個(gè)10-6單位量,這比傳統(tǒng)LC振蕩器至少能提高十幾倍。

圖4 傳統(tǒng)振蕩器和自補(bǔ)償振蕩器的頻率偏差比較

然而,在振蕩器中引入準(zhǔn)確的θNULL是十分具有挑戰(zhàn)性的。用于引起相移的注入電流可能會(huì)惡化噪聲性能;文獻(xiàn)[6]中的正交振蕩器結(jié)構(gòu)雖然可達(dá)到相位偏移的目的,但內(nèi)含2個(gè)LC諧振腔結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致芯片面積的大幅度增加。

2.2 反向調(diào)節(jié)可變電容偏置的溫度補(bǔ)償方案

本文使用的方式是針對(duì)溫度對(duì)電壓的影響,設(shè)法控制電壓的溫度系數(shù),并利用可變電容的電容-電壓特性側(cè)面襯托電容的電容-溫度特性,與電感的溫度系數(shù)相互抵消,以達(dá)到穩(wěn)定振蕩頻率的目的。

由式(4)可得,為了穩(wěn)定整個(gè)諧振腔的溫度系數(shù),以得到不受溫度影響的高精度振蕩頻率,可在諧振腔內(nèi)添加可變電容器,利用可變電容器的負(fù)溫度系數(shù)部分與電感的正溫度系數(shù)部分相互抵消,在溫度變化時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。加入可變電容后,式(4)可改為:

(5)

其中,Ctot=Cf+CV[Vctrl(t)],Cf為諧振腔中固定電容和寄生電容之和,CV為可變電容,Vctrl(t)為溫度相關(guān)線性電壓。

對(duì)f1進(jìn)行關(guān)于溫度的求導(dǎo):

(6)

令式(6)的結(jié)果為0,可得:

(7)

3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)模塊

3.1 振蕩器核心電路

系統(tǒng)核心的振蕩器電路的原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 振蕩器電路的原理結(jié)構(gòu)

圖6 可變電容CV-Vctrl特性和

為了保留對(duì)振蕩頻率校準(zhǔn)的能力,所設(shè)計(jì)的LC振蕩器額外增加了4 bit的開(kāi)關(guān)電容,如圖7所示。

圖7 開(kāi)關(guān)電容陣列的差分開(kāi)關(guān)

當(dāng)圖7a內(nèi)的3個(gè)MOS管導(dǎo)通后,中間的MS3管可看作是2個(gè)電阻RSW3/2分別與兩邊MOS管代表的電阻RSW1和RSW2并聯(lián)在一起,與電容串聯(lián)的總電阻就會(huì)減小,從而提高開(kāi)關(guān)的品質(zhì)因數(shù),減小對(duì)振蕩器品質(zhì)因數(shù)的影響。

3.2 偏置產(chǎn)生模塊

一方面,由前文的討論可知,Vctrl應(yīng)為一正溫度系數(shù)電壓;另一方面,根據(jù)文獻(xiàn)[7]內(nèi)討論的格羅什科夫斯基(Groszkowski)效應(yīng)可知,因?yàn)殡娙菰诟哳l時(shí)呈現(xiàn)比電感低得多的阻抗,會(huì)吸收電流內(nèi)大部分的頻譜成分,所以偏置電流中的高次諧波含量會(huì)導(dǎo)致電感和電容之間的功率不平衡,電流的增加會(huì)導(dǎo)致LC振蕩器的振蕩頻率降低,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 偏置電流對(duì)振蕩頻率的影響

因此,振蕩器需要一個(gè)不會(huì)隨溫度變化的穩(wěn)定偏置電流。

為了得到不隨溫度變化的穩(wěn)定偏置電流,本文設(shè)計(jì)的偏置模塊如圖9所示。其中,由于運(yùn)放A1的作用,X、Y兩處的電壓關(guān)系為VX≈VY≈|VBE1|,得到流經(jīng)M1的電流I1大小為ΔVBE/R1,即VTln 3/R1∝T,因此I1為一個(gè)正溫度系數(shù)電流。

圖9 電路的偏置電流模塊

此外,在A2的作用下,有VM≈VN≈|VBE3|,得出流經(jīng)M2的電流為|VBE|/R2,即I2為一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電流。最后,由I1、I2的線性組合可以得到零溫度系數(shù)的偏置電流Ibias,用以偏置振蕩器的核心電路,避免前文提及的Groszkowski效應(yīng)。

不同工藝角下的偏置電流基本不隨溫度的變化而變化,如圖10所示。

圖10 不同工藝角下偏置電流的仿真結(jié)果

同時(shí),正溫度系數(shù)的電流I1經(jīng)過(guò)拷貝和放大后,會(huì)用于驅(qū)動(dòng)3個(gè)可選電阻器組中的一個(gè),如圖11所示。

圖11 可變電容控制電壓調(diào)整模塊

其中,3個(gè)電阻器組的總電阻各是由2個(gè)分別擁有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電阻線性組合而成,具有相同的大小,但具有不同的溫度系數(shù),這取決于組中電阻器的類型。

在振蕩器的輸出處級(jí)聯(lián)了可編程分頻器,用于將LC振蕩器較高的振蕩頻率進(jìn)行分頻,得到30 MHz左右的常用參考源頻率。

4 仿真結(jié)果

本文在SMIC 180 nm CMOS工藝下完成設(shè)計(jì),并在cadence spectre下完成了后仿真。本文設(shè)計(jì)的版圖如圖12所示,芯片面積為0.24 mm2。仿真顯示,在27 ℃時(shí),振蕩頻率約為2.4 GHz,功耗為7.12 mW。

圖的計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果

振蕩器分頻前和分頻后的相位噪聲的仿真結(jié)果如圖14所示。從圖14可以看出,在1 MHz頻偏處的相位噪聲為-120.586 8 dBc/Hz,對(duì)應(yīng)情況下的振蕩器品質(zhì)因數(shù)(figure of merit,FOM)為179.67 dBc/Hz。

圖14 振蕩器分頻前和分頻后的相位噪聲仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果不難看出,分頻電路進(jìn)一步提升了所產(chǎn)生頻率信號(hào)的相位噪聲性能,最后得到的30 MHz頻率信號(hào)在10 kHz頻偏處的相位噪聲可達(dá)到為-112.923 0 dBc/Hz,對(duì)應(yīng)的FOM的大小為173.94 dBc/Hz。

不同工藝角下的振蕩器頻率隨溫度的變化如圖15所示。

圖15 不同工藝角下振蕩器頻率隨溫度的變化

在最差情況下,本文設(shè)計(jì)達(dá)到了8.68×10-6℃-1的溫漂特性,驗(yàn)證了技術(shù)方案的有效性。將本文研究結(jié)果與其他研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表1所列。

表1 本文與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比

從表1可以看出,文獻(xiàn)[2]中的RC結(jié)構(gòu)盡管需要的功耗非常小,但在高頻性能和溫度補(bǔ)償性能2個(gè)方面遠(yuǎn)不如本文的LC結(jié)構(gòu);另外,與文獻(xiàn)[9]的LC結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,溫度補(bǔ)償性能較差,但功耗的需求量得到降低,且振蕩器品質(zhì)因數(shù)的差距不是非常大,因此本文設(shè)計(jì)的LC振蕩器能夠滿足相關(guān)系統(tǒng)的要求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款具備頻率漂移補(bǔ)償技術(shù)的LC振蕩器,用以替代片外晶體振蕩器。本設(shè)計(jì)利用溫度對(duì)控制電壓的影響改變偏置變?nèi)莨艿奶匦?使整個(gè)振蕩器的溫度系數(shù)為0,從而減少振蕩器頻率輸出的溫度漂移效應(yīng)。后仿真結(jié)果顯示,本文所提出的方案切實(shí)有效,達(dá)到了較優(yōu)的溫漂特性和優(yōu)越的噪聲性能。