高精度RC振荡器的设计

news2024/11/24 3:25:21

1. 一些技术指标

应用于数字模拟混合信号芯片的高频率精度,高频率稳定度,全集成RC振荡器设计
由于数字电路指标仅与复杂度有关,此仅考虑模拟电路的设计指标。

项目Value
电源电压2.5V~5.5V
工作温度-40°~+125°
目标频率Ftyp = 2MHZ
频率精度(F- Ftyp) < 0.25% * Ftyp
占空比(Duty Cycle) < 0.5%
频率随电源的变化(Fmax - Fmin) < 1.0% * Ftyp
频率随温度的变化(Fmax - Fmin) < 1.0% * Ftyp
平均电流Iq < 50uA
启动时间Tstartup < 25us
建议工艺CSMC 0.18um

2. 一些参考的电路

电荷转移公式
Q= CV = IT?

2.1 电路1

振荡器周期
T = C(Vh -Vl)/lr +td1 + C(Vh - Vl)If + td2

项目Value
占空比由两比较器不同延时,电流匹配决定
频率随电源的变化比较器延迟不稳定,电流匹配不稳定
频率随温度的变化比较器延时不稳定,电流匹配不稳定
平均电流由充放电电流和比较器电流决定
启动时间需等待参考电流,参考电压,比较器建立

优点:电容阵列只有一组,电容失配会有所抵消
缺点:有上拉电流和下拉电流的匹配程度,有设计难度
在这里插入图片描述

2.2 电路2

只有两上拉电流,引入了bandgap带隙基准电压模块,进行稳定的电压电流提供,因为这个电路复杂,带来了功耗的上升,两个比较器的适配会比较麻烦,延时也会叠加在时钟周期上。
在这里插入图片描述

电路3

优点:只使用了一个比较器,降低了比较器对时钟周期的影响,比较器增加了超频模式,降低了比较器输入对管输入电压的影响。只有一组上拉电流, 减小了多次适配带来的影响, V= IR 的计算公式,解决了参考电压产生的问题
同一组对电流,对电阻R和电容C1充放电,所以 电流效应可以抵消,

最后公式可以约等于,时间只和RC,以及比较器delay相关,接下来需要完全消除比较器delay在整个周期中的影响。
在这里插入图片描述
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频率计算公式
在这里插入图片描述

项目Value
占空比由失配电压、电容、电流匹配决定
频率随电源的变化比较器延迟不稳定,比较器失配电压可以消除,电流匹配不稳定
频率随温度的变化比较器延时不稳定,电阻温度系数不稳定,电流匹配不稳定
平均电流由充放电电流和比较器电流决定
启动时间需等待参考电流,比较器建立

电路4

把比较器删除了,把整个系统进行了镜像的操作。正相反馈,通过下方的两个nmos的翻转实现信号,nmos 的vgs电压会随温度,工艺等影响,而且需要一个启动电路。
在这里插入图片描述
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项目Value
占空比由电流匹配,nmos管匹配决定
频率随电源的变化nmos管栅源电压不稳定,电流匹配不稳定
频率随温度的变化nmos管栅源电压不稳定,电流匹配不稳定
平均电流由nmos管栅源电压,以及电容两端的电压决定
启动时间需等待电流建立,需要突破简并点

电路5

通过技术来消除比较器delay,电压平均反馈 ,平均的概念,随电压变化,比较器的mach?,后续论文还有对这个基础上的改进,可以参考其中的概念
在这里插入图片描述
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项目Value
占空比由电容、电阻、比较器匹配决定
频率随电源的变化电流匹配不稳定,Vref 与电源相关
频率随温度的变化电阻温度系数不稳定,电流匹配不稳定
平均电流由充电电流,运放以及比较器电流决定
启动时间需等积分器调整比较器正端电压,从而达到稳定
  1. 在复位阶段, φ与φ非 均为高电平,同时积分器复位,利用虚短效应,使Vn = Vc ≈Vref

  2. 由于复位开关,使得Vosc1 = Vosc2 = 0,从而CMPl与CMPr均为高电平
    在这里插入图片描述

  3. 开始使能,通过反相器链延迟,φ和φ非形成锁存信号,所以左边会先启动,左边电源对左边的RC进行充电,

  4. 对Vosc1进行快速充电,由于Vn与R1的关系,导致Vc上升

  5. Vosc1 继续上升,大于Vn,导致Vc下降,充电速率变慢

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6. Vosc1 = Vc 时,由于比较器延迟,导致vosc1过冲,从而循环往复?
在这里插入图片描述在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

PS :给的参考文献
在这里插入图片描述

难易程度对比

项目12345
参考文献1998JSSC1997john2016JSSC2004ISCAS2010JSSC
占空比☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
频率随电源的变化☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
频率随温度的变化☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
平均电流☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆
启动时间☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆

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