【摘 要】
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RC振荡器作为片内时钟源,被广泛应用于电子导航、生物医疗及可穿戴智能设备等领域的MCU中,其功耗与稳定性将直接影响MCU的性能。而MCU通常具有低功耗和高速运行两种工作模式,且两种工作模式对时钟电路需求有所不同,单一的RC振荡器难以兼其需求。因此,根据MCU两种工作模式对时钟电路不同需求,分别设计满足其需求的RC振荡器具有一定的研究意义与实用价值。传统RC振荡器易受温度与电源电压等因素的影响,输出
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RC振荡器作为片内时钟源,被广泛应用于电子导航、生物医疗及可穿戴智能设备等领域的MCU中,其功耗与稳定性将直接影响MCU的性能。而MCU通常具有低功耗和高速运行两种工作模式,且两种工作模式对时钟电路需求有所不同,单一的RC振荡器难以兼其需求。因此,根据MCU两种工作模式对时钟电路不同需求,分别设计满足其需求的RC振荡器具有一定的研究意义与实用价值。传统RC振荡器易受温度与电源电压等因素的影响,输出频率稳定性较低,达不到MCU对时钟稳定性的需求。本文针对上述缺点,设计了两款不同结构的RC振荡器,分别应用于MCU高速运行和低功耗两种工作模式。（1）针对MCU高速运行模式对时钟的需求,设计了一款输出频率为16MHz的高稳定性RC振荡器。采用电压平均反馈技术降低比较器延迟对RC振荡器的影响,采用温度补偿技术降低温度对RC振荡器的影响,实现了RC振荡器高稳定性输出。基于全加器设计了一种选频网络,实现多种频率的高精度输出,满足MCU高速运行模式下对不同频率时钟的需求。在SMIC 110nm CMOS工艺下完成了高稳定性RC振荡器的版图设计与后仿真验证,结果表明,高稳定性RC振荡器的动态功耗为47μW,其输出频率的温度特性为±0.13%@-30～120℃,电源电压特性为±0.13%@1～1.4V。（2）针对MCU低功耗模式对时钟的需求,设计了一款输出频率为32k Hz的低功耗RC振荡器。采用分裂电容技术降低了比较器延迟对RC振荡器的影响,采用预稳压技术降低电源电压对RC振荡器的影响,实现RC振荡器高稳定性输出。同时采用亚阈值偏置技术,降低了RC振荡器的功耗。在SMIC 110nm CMOS工艺下完成了低功耗RC振荡器的版图设计与后仿真验证,结果表明,低功耗RC振荡器的动态功耗为0.55μW,其输出频率的温度特性为±0.25%@-30～120℃,电源电压特性为±0.13%@1～1.4V。由仿真结果可知,本文所设计的两款RC振荡器皆在保证低功耗的同时,实现了高稳定输出,能够满足MCU低功耗与高速运行模式的正常需求,具有一定的应用前景。
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