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，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，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
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。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。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。
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。因此，本文提出一种具有独立的充放电通路、频率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。
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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）
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