论文部分内容阅读
高性能大规模的FPGA芯片编程下载模块需要高质量的输入时钟来使其工作,利用标准的CMOS工艺实现片上的时钟振荡器来取代片外的晶振,对于降低FPGA芯片的成本,提高FPGA芯片的集成度很有帮助。为了能够增加65nmFPGA芯片功能,为FPGA编程下载模块提供不同的时钟频率,本文设计了一款可以输出多个频率的FPGA时钟振荡器来为编程下载模块提供时钟频率。本中给出了振荡器中VCO、温度补偿电路以及分频器电路等各个振荡器子模块电路的具体设计方法。针对传统振荡器随温度和工艺变化较大的情况,本文给出了温度补偿的具体实现方法,本文利用65nm工艺中振荡器频率与温度的正相关关系和振荡器频率与VCO控制电压的负相关关系,通过温度补偿电路的设计,使得VCO控制电压与温度成正相关的关系,从而进行了频率对温度的补偿,实现了振荡器对频率很好的温度和工艺补偿。并且本文在电路中加入了可编程控制电阻模块来调节VCO控制电压的值,从而增加了振荡器的输出频率范围,最终通过不断的电路仿真、参数修改与优化,同时通过三个可编程电阻控制字,本文实现了同时对八个不同输出频率进行很好的温度和工艺补偿。本文采用65nm数字工艺并使用Cadence软件进行仿真分析,设计了一款带有温度补偿、工艺补偿的振荡器时钟发生电路,并且在没有稳压电路Regulator的情况下,在电源电压变化±10%范围内,振荡器都能够正常工作。本文设计的振荡器可以在温度从-55℃到125℃,电源电压从1.08V到1.32V, TT、SS、FF工艺角下都能正常工作,且输出频率随温度和工艺角的变化都比较小,振荡器的输出频率随温度变化小于5%,随工艺的变化也小于5%。经仿真验证显示,振荡器输出频率的功能和性能都能够满足FPGA编程下载模块的时钟要求。在电源电压为1.2V、温度为27℃、TT工艺角标准情况下,振荡器前仿频率输出结果为186MHz-331MHz,可选择进行二分频后输出93MHz-165MHz频率；在1MHz下的噪声为-95dBc/Hz,版图面积为400um×85um,1.2V电源电压下功耗为2.3mW。振荡器后仿频率输出结果为134MHz-181MHz,可选择进行二分频后输出67MHz-90MHz频率。