基于斩波拓扑的高精度RC振荡器设计

　　设计了一种采用0.18μmCMOS工艺制作的基于斩波拓扑的高精度 RC振荡器。该结 构对比较器失调有较好的抑制效果，并补偿了比较器传输延时对输出时钟频率的影响，达到了较好 的温度特性。同时使用 LDO 对振荡器的主体电路供电，有效抑制了电源电压波动对输出频率的 影响。另外该振荡器使用电容修调网络，减小了工艺漂移对中心频率的影响。仿真结果表明，所设 计的振荡器在不同工艺角下均可以通过修调将频率校准至典型值2MHz。在-40~125℃的温度 范围内，输出频率的波动仅为0.87%。在3~6V 的电源电压范围，输出频率的波动仅为0.21%。 与同类型的片上 RC振荡器相比，该电路对温度、电源电压和工艺的漂移有更好的抑制作用。

　　随着通信、物联网、传感器和生物医学等领域的 不断发展，为电子系统提供一个性能稳定可靠的时 钟模块成为迫切需求［1］。常见的时钟源有石英晶体 振荡器、LC 振荡器、环形振荡器、RC 振荡器。RC 张弛振荡器是通过控制电路对电容充放电来实现， 这种振荡器易于集成，面积较小，因此使用 RC振荡 器取代晶体振荡器对提高系统的集成度和降低成本 很有帮助。RC振荡器面临的主要问题是输出频率 易受到温度、电源电压、工艺漂移的影响。研究高稳 定性和高可靠性的 RC振荡器成为热门课题。 近年来，国内外不少学者提出了高性能的 RC 振荡器架构。文献［3］使用有源滤波作为反馈通路， 实现了频率控制，消除了比较器传输延时对振荡器 时钟频率的影响，缺点是面积和功耗较高，且启动较 慢。

　　针对不同温度下电路参数的变化，设计 了一个自校准电路模块。该模块能够监测环境温 度，并根据温度变化自动调整电路的工作条件，以保 持稳定的振荡频率。这种自校准机制减小了由温度 变化引起的频率偏移和不稳定性，缺点是逻辑算法 复杂，对温度检测的灵敏度要求较高。文献［5］使用 前馈周期控制方案，在仅一个振荡周期内即可启动 电路并迅速稳定，同时具有极低的功耗，缺点是输出 频率受外部干扰及温度影响较大，适用范围较窄。 本文提出了一种新型的基于斩波拓扑的高精度 RC振荡器，其中心频率为在各种电子系统中广泛 应用的2 MHz。该振荡器可以有效抑制比较器输 入失调电压和传输延时的影响，同时电路采用 LDO 对振荡器主体供电，输出频率对电源电压的波动有 较好的抑制特性，可在较宽的温度范围和较大的电 压波动下保持高精度的输出。另外，本文设计了数 字修调网络来补偿工艺漂移带来的误差［6］，将输出 频率调整到目标频率附近。