一种片外电容交叉充放电型振荡电路设计
电子技术应用 2023年3期
曹杨，曹振吉，曹靓，赵桂林
（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）
摘要： CMOS环形振荡器具有版图面积小、调谐范围大、电路简单便于集成等优点，广泛应用于各类电源系统及电子通信应用中。在常规的环形振荡电路基础上，设计了独立的充放电控制通路，实现了一种交叉充放电型环形振荡电路，并通过外接片外电容的方式，得到更低频率的振荡周期。基于0.18 μm工艺，采用HSIM工具对电路进行功能仿真，经过后端物理实现后，版图面积为172 μm×76 μm，对电路进行提参后仿，结果表明：在3.3 V电压及25 ℃条件下，外接10 nF接地电容时，电路获得约1.2 ms的稳定振荡周期。在Vcc=2.7 V~5.5 V、T=-55 ℃~125 ℃条件下，时钟周期的最大偏移为5.83%。该电路已成功应用于某电源控制芯片中。
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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