1、电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Microelectronic Technology微电子技术一种片外电容交叉充放电型振荡电路设计曹杨，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 m 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 m
2、76 m，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 V5.5 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。关键词：环形振荡；电容充放电；电源控制芯片；时钟中图分类号：TN432 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223029中文引用格式：曹杨，曹振吉，曹靓，等.一种片外电容交叉充放电型振荡电路设计J.电子技术应用，2023，49(3)：77-81.英文引用格式：Cao Yang，
3、Cao Zhenji，Cao Liang，et al.An oscillator circuit with cross charge and discharge by off-chip capacitorsJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：77-81.An oscillator circuit with cross charge and discharge by off-chip capacitorsCao Yang，Cao Zhenji，Cao Liang，Zhao Guilin(The 58th Research Instit
4、ute，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 rin
5、g 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 m process,the circuit has been simulated
6、 with HSIM tool.After the back-end physical implementation,the layout of the oscillation occupies an area of 172 m76 m.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 th
7、e 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 V5.5 V and temperature changes in-55125,the frequency deviation is 5.83%.The circuit has been successfully applied in a power management chip.Key words：ring
8、oscillator；charge and discharge of capacitor；power management chip；clock0 引言压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）作为时钟产生电路，作为各类通信系统的核心组成部分，被广泛应用于锁相环（Phase Locked Loop,PLL）、高速时钟、数模转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）等多个领域12。当前主流的压控振荡器分为 LC 振荡器和环形振荡器。LC 振荡器通常由片上电容、电感和有源器件构成，品质因素较高，显示出良好的相位噪声特性，然而，调谐
9、范围有限、片上电感面积较大、与 CMOS工 艺 兼 容 困 难 等 问 题 也 成 为 LC 振 荡 器 的 关 键 性 缺陷34。相比之下，环形振荡器具有调谐范围大、支持多相位输出、占用面积小、电路简单便于集成、成本低等优点，在 CMOS 工艺、片上系统的快速发展下，成为一种很有吸引力的选择并被广泛应用5。环形振荡器是由多个延迟单元串联形成的闭合环路，其噪声抑制能力较差、受电源电压影响较大，导致产生的振荡周期并不稳定，并不适用于设计高性能环形振荡器6。因此，本文提出一种具有独立的充放电通路、77Microelectronic Technology微电子技术www.ChinaAET.com频率
10、可调的振荡电路结构，分别由两个不同的电容交叉充放电形成稳定的振荡频率，同时，通过外接纳法级电容，突破集成片内电容约皮法级的大小限制，得到低于1 MHz 的较低频率振荡周期。1 常规环形振荡器传统的环形振荡器是通过在反馈回路中放置奇数个开环反相放大器来实现的，最简单的放大器是由一系列数字反相器构成的，该电路采用负反馈形式，由于每个反相器在单位增益频率上有大约 90的相位偏移（假设所有反相器的负载都是匹配的且在环路中至少有 3 个反相器），仍可确保在环路相位偏移大于 180时，环路增益仍大于 1，因此，电流不稳定并存在振荡现象78，如图1 所示。假设该振荡器稳定，每级反相器有 inv的延时，且有n
11、 个反相器（n 为奇数），可得:T2=ninv（1）因此，振荡器时钟周期为：f=1T=12ninv（2）通常，该结构的环形振荡器中反相器的阈值电压与电源电压成比例，当电源电压增大时，流经反相器的电流与电源电压的二次方成比例增大，同时，电压漂移成比例增大，时钟频率与电源电压成比例增大910。因此，电路中任何电压相关的噪声都将引起振荡器频率的抖动，在允许较小的抖动时，振荡器频率必须不受到电源电压的影响，这点是极为重要的11。2 具体电路设计本文设计的交叉充放电型环形振荡电路的整体结构如图 2 所示。其中 Vref为 1.25 V 带隙基准输入信号，L1、L2 输入相同大小的电流，在电路设计中，该电
12、流通常由基准的偏置电路将 PTAT 电流镜像得到，为运放提供偏置。运放可提供较大的增益，将运放输入负端钳位至固定电平，从而得到稳定的输出，为时钟振荡模块提供稳定的电源电压，来保证振荡电路频率不受到电源电压的影响，基准的偏置电路将 PTAT 电流镜像到时钟振荡模块作为充放电电流 Iss，Cj为时钟振荡模块的充放电电容，从充放电电容 Cj端可以捕捉到由电容充、放电形成的锯齿波振荡信号，经时钟振荡模块，可将该锯齿波转换成标准方波信号输出（Vout）。通常，考虑集成度、可靠性等因素，片内集成电容大小有最大为皮法级的限制，当 Cj采用片外电容连接方式为时钟振荡模块提供充放电电容时，Cj作为充放电电容，其
13、大小可达纳法级，突破了集成片内电容约皮法级大小的限制，同时，得到了低于 1 MHz 的较低频率的振荡周期。时钟振荡模块是环形振荡电路的核心单元，其结构如图 3 所示。时钟振荡模块由充放电模块、开关控制逻辑、三级反相器和电平转换单元构成。其中，充放电模块是时钟振荡模块中振荡信号的初始来源，该振荡信号是通过充放电模块内部的充放电电容的充电、放电过程形成的。经开关控制逻辑产生一对互补信号控制形成独立的充、放电通路，从而实现由电容交叉充、放电形成的振荡波形。充放电模块的电路结构如图 4 所示。在电路上电后，电容 C1或 Cj开始充电。IN1 和 IN2 信号作为充放电通路的开关控制信号，根据 IN1
14、和 IN2 的电平值，打开或关闭相应的充电或放电通路，IN1 和 IN2 信号为一互补信号。同一时刻，仅支持一个充电通路打开，则另一充电通路关闭，且放电通路打开；同理，仅支持一个放电通路打开，则另一个放电通路关闭，且充电通路打开。例如，当 C1电容的充电通路打开时，Cj电容的充电通路关闭，且放电通路打开；当 C1电容的放电通路打开时，Cj电容的放电通路关闭，且充电通路打开。其具体控制过程如下。当控制信号 IN1=1 时，开关管 M6 开启，电容 Cj对地放电，同时，开关管 M10 关闭，电容 C1以固定斜率充电；当控制信号 IN1=0 时，C1对地放电，Cj以固定斜率充电。V1和 Vj节点信号
15、分别经过由互补信号 IN1、IN2 控制的传输门至 Vo输出，当 IN1=1 时，充放电模块选择打开 C1充电通路至 Vo 输出；当 IN1=0 时，充放电模块选择打开Cj充电通路至 Vo输出。至此，实现了一种由互补信号图 1传统的环形振荡器图 2本文设计的环形振荡电路整体结构图 3时钟振荡模块78Microelectronic Technology微电子技术电子技术应用 2023年 第49卷 第3期IN1、IN2 控制的电容交叉充、放电型路通。当 IN1=1 时，PMOS 晶 体 管 M0M3 构 成 电 流 镜 电路，M2M3 将充放电电流 ISS 镜像得到充电电流 IA：IA=(W/L)
16、2,3(W L)0,1ISS=KJISS（3）同理，当 IN1=0 时，电容 C1的充电电流 IB为：IB=(W L)4,5(W L)8(W L)0,1(W L)7ISS=K1ISS（4）其中，W/L 表示晶体管 M 的宽长比，Kj为 Cj电容的充电斜率，K1为 C1电容的充电斜率12。假设电容 Cj的充电时间为 Tjc，C1的充电时间为 T1c，由于充放电时间远大于门电路本身的延迟，在计算振荡周期时可以忽略门电路的传输延时，所以，一个完整的振荡周期为 T=Tjc+T1c。根据图 5 的电路结构，当 INT=1 时，Cj的充电时间 Tjc可表示如下：Tjc=CjVjIA=CjVjKJISS（5）当 INT=0 时，C1的充电时间 T1c可表示如下：T1c=C1(VPB-V1)IB=C1(VPB-V1)K1ISS（6）由式（3）、式（4）可以看出，当 Iss保持不变时，通过改变充放电电流大小或充放电电容大小即可改变电容充电、放 电 时 间，进 而 达 到 改 变 整 体 时 钟 振 荡 频 率 的目的1314。利用本电路结构，其对地电容 Cj采用由电路外部连接供应的方式，可突破片内电容值