【摘 要】
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作为片上时钟源的RC张弛振荡器被广泛应用于物联网设备等领域的电路中,其在物联网设备中具有为系统提供精准的定时、唤醒系统或者网络同步的作用。随着物联网技术的发展,许多分布式物联网设备需要具有长续航能力和高精度的时钟信号,因此对作为片上时钟源的RC张弛振荡器的功耗和温漂性能提出了更高要求。本文针对在物联网设备的应用,分别设计了一个低温漂RC张弛振荡器和一个低功耗RC张弛振荡器。针对典型电压模RC张弛振
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作为片上时钟源的RC张弛振荡器被广泛应用于物联网设备等领域的电路中,其在物联网设备中具有为系统提供精准的定时、唤醒系统或者网络同步的作用。随着物联网技术的发展,许多分布式物联网设备需要具有长续航能力和高精度的时钟信号,因此对作为片上时钟源的RC张弛振荡器的功耗和温漂性能提出了更高要求。本文针对在物联网设备的应用,分别设计了一个低温漂RC张弛振荡器和一个低功耗RC张弛振荡器。针对典型电压模RC张弛振荡器中比较器延时导致的温漂问题,本文设计了一个低温漂RC张弛振荡器,该振荡器采用无比较器结构,减少了比较器延时和失调电压等非理想因素的温度变化带来的影响。采用阈值检测电路取代比较器,采用锁存电路使输出波形在开关阈值电压到来之前暂时维持原有的电平状态,采用一阶RC电路完成对电容的充放电,实现电路的持续振荡。通过公式推导,表明了本文无比较器RC振荡器的温度依赖性主要取决于锁存器的开关阈值系数,从而该振荡器具有较高的温度稳定性。针对典型电流模RC张弛振荡器电路结构较复杂以及温度补偿方法欠佳导致的功耗较大的问题,本文设计了一个低功耗电流模RC张弛振荡器,该振荡器通过将参考电压产生电路和自偏置电流产生电路复合使用,简化电路结构,减小供电电压和偏置电流,降低电路的功耗。采用水平级联的CG-CS结构、反相器链以及时钟电压自举电路构成缓冲结构,既降低电路的功耗又减少了温度变化对延时和振荡频率的影响。采用SMIC 130nm CMOS工艺设计了低温漂RC张弛振荡器和低功耗RC张弛振荡器,并基于Cadence Virtuoso平台进行了前仿真和后仿真。版图设计中采用各模块间加保护环相互隔离等方法进行优化。前仿真结果表明,所设计的低温漂RC张弛振荡器在电源电压为2.0 V,温度为27℃下的振荡频率为1.0 MHz,-20℃～80℃范围内的温漂系数为64.8 ppm/℃,与典型电压模RC张弛振荡器相比,温漂系数下降了84.6 ppm/℃,温漂性能显著提升。所设计的低功耗电流模RC张弛振荡器在电源电压为0.6 V,温度为27℃下的振荡频率为1.0 k Hz,功耗为1.732 nW,与典型电流模RC张弛振荡器相比,功耗下降了71.47 nW,功耗性能显著提升。
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