（微电子学与固体电子学专业论文）电流控制模式rc振荡器的设计.pdf

电流控制模式r c 振荡器的设计 摘要 随着便携式电子器件的广泛应用，对低电压低功耗集成电路的需求也在不 断增加。本设计是采用r c 电流控制模式的振荡器，这种架构的振荡器广泛应用 于微控制器、便携式医疗器件等对时钟频率精度要求不是太高的设备中。在电 压和温度变化的情况下可以通过t r i m m i n g 模块提高振荡器输出频率的精度，满 足设计的要求。 在此电流控制模式振荡器电路设计中，作者首先阐述了振荡器电路的类型 和基本工作原理，然后介绍m o s 晶体管在9 0 n m 的工艺条件下出现的反短沟道效 应，并根据设计要求进行了电路的总体结构设计和子模块电路的设计。重点分 析了典型电路模块：电压基准源电路、电流偏置电路、运算放大器( o p a ) 、比 较器( c o m p a r a t o r ) 、高精度电流镜。该芯片采用u m c9 0 n ml o wle a k a g er v tc m o s 工艺，电源电压范围为1 0 8 v ，- - - , 1 3 2 v ，输出时钟频率为5 0 m h z ，占空比5 0 。 设计了温度性能良好的电压基准源电路和与电源无关的电流偏置电路，工作温 度范围为- 4 0 至1 2 5 ； 在完成电路原理分析与电路结构设计的基础之上，应用e d a 软件h s p i c e 对各个子电路模块和整体电路进行了功能仿真，仿真结果均达到或优于预定指 标，验证了设计理论。完成电路仿真后还进行了版图设计，版图验证及后仿真， 理论分析和仿真结果数据表明，在电源电压为1 0 8 v1 3 2 v ，温度一4 0 1 2 5 ，电阻类型为典型、最大、最小三种情况，c o r n e r 为t t 、s s 、f f 、s f 、 f s 情况下该电路的输出频率、占空比、整体启动时间、整体电路电流都满足了 设计的需要，实现了频率偏差小、启动时间小、低功耗的目标。 关键词：r c 振荡器、电流控制振荡器、反短沟道效应、基准电压源、电流镜 d e s i g no fc u r r e n tc o n t r o l l e dr co s c i l l a t o r a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gu s eo fp o r t a b l eo p e r a t e dd e v i c e s ，t h en e e df o rl o wv o l t a g ea n d l o wp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i th a sa l s og r o w n t h ed e s i g no ft h i sd i s s e r t a t i o ni sc u r r e n t c o n t r o l l e do s c i l l a t o r s ( c c o ) ，t h i sk i n do fo s c i l l a t o ri sw i d e l yu s e di nt h ea p p l i c a t i o n ss u c ha s m i c r o c o n t r o n e r p o r t a b l eb i o m e d i c a ld e v i c e s ，e t c i nt h e s ea p p l i c a t i o n st h er e q u i r e m e n tf o r a c c u r a c ya n ds t a b i l i t ya r en o tv e r yh i g h w h e nt h ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ec h a n g e ，t h e a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo ff r e q u e n c yc o u l db er e a l i z e db yt h ew a yo ft r i m m i n gt om e e tt h en e e d o fs p e c i f i c a t i o n i nt h i sd e s i g no fc u r r e n tc o n t r o l l e do s c i l l a t o r s ，t h eb a s i ck i n d sa n dp r i n c i p l eo f o s c i l l a t o ra r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e n t h er e v e r s es h o r t c h a n n e le f f e c t ( r s c e ) i n 9 0n mp r o c e s si sa n a l y z e di nt h i st h e s i s e n t i r et o p o l o g ya n dt h es u bb l o c ka r e d e s i g n e di nt e r m so ft h ec u s t o m e r sr e q u i r e m e n t s p r i m a r i l y , s u c ht y p i c a lb l o c k sa r e a n a l y z e da sb a n d g a pr e f e r e n c e ，b i a sc i r c u i t ，o p a ，c o m p a r a t o r ，h i g ha c c u r a c y c u r r e n tm i r r o r t h eu m c9 0 n ml o wl e a k a g er v tc m o sp r o c e s si su s e di nt h i s c h i p t h ep o w e rv o l t a g er a n g ei sf r o m1 0 8 vt o1 3 2 v ，t h ef r e q u e n c yo fo s c i l l a t o ri s 5 0 m h z ，d u t yc y c l ei s5 0 t h ec u r r e n ta n dv o l t a g er e f e r e n c ew i t ha ne x c e l l e n t t e m p e r a t u r ec h a r a c t e ra r ea l s od e s i g n e d ，t h et e m p e r a t u r er a n g ei sf r o m 一4 0 ct o 125 c a n dt h ef r e q u e n c yo fo s c i l l a t o ri sa d j u s t a b l e b a s e do nt h ea n a l y s i so fc i r c u i tt h e o r ya n dt h ec i r c u i tt o p o l o g y , e v e r ys u b - b l o c k a n dt h ee n t i r ec i r c u i ta r es i m u l a t e db yt h ee d at o o lh s p i c e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s m e e tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o no rb e t t e r t h et h e o r yh a sb e e nv e r i f i e d t h e nt h e l a y o u t ，l a y o u tv e r i f i c a t i o na n db a c k e n ds i m u l a t i o nh a v eb e e nd o n e f i n a l l y , t h e a n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tw h e nt h ev o l t a g eo fp o w e rc h a n g e sf r o m 1 0 8 vt o1 3 2 va n dt e m p e r a t u r ec h a n g e sf r o m 一4 0 。ct o12 5 c ，t h et y p i c a lo f r e s i s t o ri st y p i c a l m i n m a xa n dc o r n e ra r et t ，s s ，f f ，s f , f s ，t h ef r e q u e n c y , d u t y c y c l e ，e n t i r es t a r t - u pt i m e ，e n t i r ec u r r e n ta l lm e e tt h es p e c i f i c a t i o n ，t h ep r o j e c to f l o wv a r i a t i o n ，l o ws t a r t u pt i m e ，l o wp o w e ri sa c h i e v e d k e y w o r d s ：r co s c i l l a t o r ；c u r r e n tc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ；r e v e r s es h o r t - c h a n n e le f f e c t ；v o l t a g e r e f e r e n c e ；c u r r e n tm i r r o r 插图清单 图卜l 振荡器反馈系统2 图卜2 五级单端的环形振荡器3 图卜3 四级差动的环形振荡器3 图卜4 传统的r c 振荡器3 图2 1 阈值电压随沟道长度的变化6 图2 2 漏源耗尽区和沟道耗尽区的电荷分布7 图2 3h a l o 注入示意图7 图2 4h a l o 注入对阈值电压的影响7 图2 5 阈值电压随沟道长度的变化8 图2 6n m o s 阈值电压随沟道长度的变化关系8 图2 7p m o s 阈值电压随沟道长度的变化关系9 图2 - 8m o s 器件的结构9 图2 9m o s 器件的等效电容结构9 图2 1 0n m o s 等效电容随电压的变化关系1 0 图2 1 1p m o s 等效电容随电压的变化关系1 0 图2 1 2 采用施密特触发器级联的振荡器1 1 图2 一1 3 传统的振荡器和波形1 2 图2 - 1 4 整体电路图1 2 图3 1 带隙基准电压源的基本原理1 4 图3 2 典型的c m o s 带隙基准电路结构1 5 图3 - 3 电流求和型基准源原理图1 6 图3 4 基准电压源电路1 7 图3 - 5 基准源输出电压相对电源电压变化曲线：1 8 图3 - 6 基准源输出电压相对温度变化曲线1 8 图3 - 7 电源电压变化时基准源瞬态输出特性1 9 图3 - 8 基准源电源抑制比( p s r r ) 2 0 图3 - 9 偏置电路2 0 图3 - 1 0 与电源无关的偏置2 1 图3 一1 1p 5 管电流在不同条件下启动的变化情况2 3 图3 一1 2 输出波形稳定的快慢与相位裕度的关系2 3 图3 - 1 3 进行密勒补偿的两级运放2 5 图3 - 1 4 密勒补偿前后的波特图2 5 图3 - 1 5 引入调零电阻的二级密勒补偿运放2 6 图3 1 6 带调零电阻的两级运放小信号模型2 6 图3 - 1 7 运放的频率响应波形图2 7 图3 - 1 8 运放的启动时间仿真波形2 8 图3 - 1 9 采用p m o s 输入的两级运放2 9 图3 - 2 0 运放的频率响应3 0 图3 - 2 1 运放启动时间的仿真波形3 0 图3 2 2 参考电压为0 4 v 的比较器电路：3 1 图3 - 2 3 比较器频率响应3 3 图3 - 2 4 比较器的延时仿真3 3 图3 - 2 5 参考电压为0 8 v 的比较器电路3 4 图3 - 2 6 比较器频率响应3 5 图3 2 7 比较器的延时仿真3 5 图3 - 2 8 振荡器的延时电路3 6 图3 - 2 9 延时比较器3 7 图3 - 3 0 比较器的频率响应3 8 图3 - 3 l 比较器启动的过程3 8 图3 - 3 2 延时单元的仿真波形图3 9 图3 - 3 3 电流镜的原理图3 9 图3 - 3 4 电流镜失配比较4 0 图3 3 5 提高电流镜匹配共源共栅4 1 图3 - 3 6 提高电流镜精度的电路4 2 图3 - 3 7 改进后电流镜镜像电流的仿真结果4 2 图3 - 3 8 系统仿真波形4 3 图3 - 3 9t r i m m i n g 电路逻辑控制图4 4 图4 - 1t tc o r n e rt e m p e r a t u r e = 2 5 的输出信号特性4 5 图5 - 1 版图设计流程4 7 图5 - 2 电路模块的布局顺序4 7 图5 - 3 电源的摆放4 8 图5 - 4 间接连到电源线4 9 图5 - 5 直接连到电源线4 9 图5 6w e l l 的不同连法4 9 图5 - 7 减小信号线耦合的处理方法5 0 图5 - 8 减小来自衬底耦合的方法5 0 图5 - 9 减小来自耦合电源线的方法5 1 图5 1 0 叉指电阻5 2 图5 1 l 叉指电阻5 2 图5 一1 2 匹配电阻的摆放5 3 图5 一1 3 电容的版图和刻蚀5 3 图5 1 4 叉指状与交叉耦合的m o s 晶体管5 4 图5 1 5 为避免天线效应而采用跳线5 5 图5 1 6 两级运放的版图5 5 图5 一1 7 版图中各个模块的布局5 6 图5 1 8 电压基准源的版图：5 6 图5 一1 9 振荡器核心电路的版图5 7 图5 - 2 0t tc o r n e r ，t e m p e r a t u r e = 2 5 ，v d d = 1 2 v ，r t y p 的输出信号特性5 8 图5 2 1 输出信号频率在不同仿真条件下的值5 9 图5 2 2 输出信号的占空比在不同仿真条件下的值6 0 图5 - 2 3 电路的启动时间在不同条件下的仿真结果6 0 图5 2 4 不同条件下的后仿真整体电路的电流6 1 图5 - 2 5t tc o r n e r ，t e m p e r a t u r e = 2 5 ，v d d = i 2 v ，r t y p 的输出信号测量结果6 1 图5 2 6 在不同温度条件下，占空比随电压的变化测量结果一6 2 图5 2 7 在不同温度条件下输出频率随电压的变化测量结果6 3 图5 - 2 8 在不同温度条件下启动时间随电压的变化测量结果6 3 图5 - 2 9 电路的启动时间在不同条件下的测量结果6 4 图5 - 3 0 不同条件下的后仿真整体电路的电流测量结果6 4 图5 3 l 输出信号频率在不同仿真条件下的值6 5 图5 - 3 2 输出信号的占空比在不同仿真条件下的值6 5 表格清单 表3 1t r i m m i n g 电路的真值表4 4 表4 - it tc o r n e rt e m p e r a t u r e = 2 5 输出信号特性和总电流随电压变化4 6 表4 - 2t tc o r n e rv d d = i 2 v 输出信号特性和总电流随温度变化4 6 表5 - it tc o r n e r ，t e m p e r a t u r e = 2 5 。c ，r t y p 输出信号特性和总电流随电压变化 5 f ； 表5 - 2t tc o r n e r ，v d d = i 2 v ，r t y p 输出信号特性和总电流随温度变化5 9 表5 - 3t tc o r n e r ，t e m p e r a t u r e = 2 5 ，r t y p 时的输出信号随电压变化特性6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金月巴王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：张亚南签字日期：2 0 0 9 年3 月2 3 日 级亚匍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金起王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：张亚南 红韧 签字日期：2 0 0 9 年3 月2 3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：解光军 签字日期：2 0 0 9年3 月2 3 日 电话： 邮编： 致谢 在本论文完成之际，衷心地向我尊敬的导师解光军教授致以最真挚的感谢 和敬意! 感谢解老师对我的学习和工作的耐心指导，对我的生活的体贴与关怀。 解老师严谨的治学态度、渊博的学识、孜孜不倦的工作精神和平易近人的生活 作风给我留下了深刻的印象，使我终身受益。回首几年的工大生活，恩师对我 的影响尤为深刻，谢谢恩师。 感谢秉亮科技( 苏州) 有限公司的杨念钊总经理，混合信号设计部张国明经 理，他们给予我参加公司混合信号设计部( m s d ) o s c & p l l 项目组的机会，给我 在学习模拟电路设计提供了一个很好的平台。感谢温平平工程师和总部智原科 技葛振廷工程师对我在电路设计方面悉心指导，他们积极进取的拼搏精神和严 谨求实的科研精神给我的工作和学习留下深远的影响。同时感谢张革远工程师 和汪岭工程师在学习和工作方面给予我的帮助和支持。感谢史桂欣版图工程师 所给予的版图支持以及指导。 感谢南开大学的李振海同学和区小云同学，在实习期间所给予的帮助和支 持。 感谢我的师兄王新亚，张晓明，汪明亮等，您们在我学习模拟电路设计时 所给予很多指导和帮助。感谢我的同学程心，乐亮，赵亮，程从俊在学习和生 活上所给予的帮助。 感谢我的父母，外婆这么多年一直默默支持着我，感谢我的弟弟妹妹在学 习和生活上给我的关心和支持。感谢图书馆和档案馆的老师所给予我在本科阶 段勤工俭学的机会，使我度过那段困难的时光。感谢应用物理系的潘德江书记， 武敏老师，支庆云老师给予我的帮助和支持。 最后感谢所有关心和帮助过我的师长、亲人、同学和朋友! 是您们一如既 往的支持使我忘记征程的疲惫。 作者：张亚南 2 0 0 9 年1 月1 4 日 第一章绪论 随着通讯与控制技术的发展，振荡器更广泛地应用于微控制器，频率调制 与频率综合以及时钟恢复电路中，本章主要介绍压控振荡器( v c o ) 的发展情况， 并简单介绍振荡器的类型与原理，最后介绍本文的结构。 1 1 课题的背景与意义 压控振荡器在无线系统和其它必须在一个范围的频段内进行调谐的通讯系 统中是十分常见的组成部分。从2 0 世纪初a r m s t r o n g 的发明到今天，v c o 技 术的进步经历了真空管振荡器、晶体管振荡器、振荡器模块解决方案直到今天 基于r f i c 的振荡器几个阶段。8 0 年代后期和9 0 年代初期移动电话销售的增长， 对这种“封装的”振荡器模块的需求也在不断上升。一些在小型化方面越来越 精通的日本公司为移动电话开发了小型的、成本较低的v c o 模块。随着新的无 线应用的崛起，v c o 模块制造商们开发了工作频率单独针对每一种应用的产品。 v c o 模块体积发生了令人吃惊的缩减，满足了像蜂窝电话这种新型移动无线设 备对产品占用空间的严格要求。然而，9 0 年代末出现了一种体积更小成本更低 的v c o 技术一一单片v c oi c 技术。单片v c oi c 技术是将所有的l cv c o 电路元 件，包括晶体管、电容、电阻、电感和变容二极管，都集成到一块芯片上的一 种v c o 实现技术。 微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏。 在我国，已经把电子信息产业列为国民经济的支柱性产业。如今，微电子技术 已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。集成电路是微电子 技术的核心，是电子工业的心脏。随着微电子技术的迅速发展，晶体管尺寸已 进入纳米水平，而设计工程师们对v c o 理论的理解也越来越深入，设计技术正 在变得越来越先进，导致了芯片集成度的提高和功耗的降低。 而目前国内芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位。而且随着通 讯器材的小型化，集成度高的i c 层出不穷，国际各大半导体公司都自制v c o 的模块。而国内公司的芯片主要用于对讲机、无线台式电话、无绳电话、电动 玩具等。但国内巨大的芯片消费市场，已成为各大芯片厂商角逐的场所。小体 积、高集成、低功耗、高性能已成为提高市场占有率制胜法宝。 1 2 振荡器类型与原理 片上c m o s 振荡器常用的结构按照振荡频率的可控性，稳定性，以及控制 的线性主要有基于共振的振荡器、谐波振荡器、环形振荡器、r c 振荡器等几种 2 】【3 】 4 】 o 1 2 1 基于共振的振荡器 这种振荡器应用一个工作在谐振状态的调谐网络产生一个周期性的输出信 号，调谐网络可以是晶体振荡器或者l c 振荡器。由于高品质因子振荡器的使用， 这些振荡器具有非常好的频率稳定性，因此它们主要应用于对噪声要求很严格 的射频接受器，近年来，由于移动通讯市场的迅速增长，在集成于芯片上的高 品质电感方面的研究投入很大。无源基于共振的振荡器好的频率稳定性与调谐 网络的电阻有关，在共振频率处很小的频率变化会出现很大的相位变化。由于 共振电阻的相位频率特性，这种振荡器的频率稳定性很差。同时这种振荡器成 本高体积大不利于集成。 1 2 2 环形振荡器 这种振荡器有相似的延时级构成，每个延时级由反向器构成。在每级 的输出节点通过对输出端电容( 或者寄生) 充电而使得输出电压斜线上升。最 后把输出接到输入形成回路。根据巴克豪森判据一个电路对于图2 - 1 的闭环系 统，如果在某个频率上，x f 和x i 在幅度和相位大满足下面( 2 1 ) ( 2 2 ) 两 个条件： ( a ) 图1 - 1 振荡器反馈系统 i a f ( j o o ) i 1 h ( j c o o ) = 1 8 0 0 ( b ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 电路就会振荡，这两个条件称为“巴克豪森准则 哺1 。其中( 1 1 ) 式是振 荡器振幅起振条件。振荡器的振荡频率是由( 1 2 ) 式的相位平衡条件决定，实 际上这两个条件是必要条件但不是充分条件。振荡器起振后，内部干扰会引起 管子参数的变化，从而破坏平衡条件，以致振荡器停振或者突变到另外一个新 的平衡状态，为了使得振荡器产生持续的等幅振荡，振荡器所处的平衡状态必 须是稳定的。 2 只有在中心频率附近，输出具有随输入x i 增大而减小的特性时，振荡器所 处的平衡状态才能稳定。所以振荡器要产生一个稳定的振荡，一定要满足振荡 的平衡条件，振荡条件，稳定条件。 在有反相器构成的环形振荡器中，必须要至少三级的奇数级电路级联在一 起的。如图2 2 所示。这样电路才不会被锁定。差动电路优于单端电路的一个 优点就是，差动结构的振荡器级电路数可以是大于二的偶数，只要将其中的一 级结成不反相的就能稳定振荡。如图2 3 所示。 图1 - 2五级单端的环形振荡器 图卜3 四级差动的环形振荡器 环形振荡器采用标准数字c m o s 工艺能够实现高速和容易集成的特性。它们 广泛应用于时钟恢复中。通过改变对电容充电电路的大小，可以实现较大的频 率调整范围。但是这种环型振荡器的输出频率随温度、电压、工艺条件的偏差 比较大。 1 2 3r c 振荡器 在微控制器和其它a s i c 应用中对时钟源的精度和频率的要求不高的电路 中，r c 振荡器由于其成本低、电路启动快、便于片内集成而广泛应用。常用的 r c 振荡器电路结构如图卜4 所示，” y r e f 图1 - 4 传统的r c 振荡器 3 2 r ：i r e ( 1 3 ) 尺 通过电压一电流转换模块产生一个与电阻r 成反比的电流i ，通过电流镜镜 像产生的电流作用于电容c 上。电容充放电的状态主要有输出产生的时钟信号 控制。电容两端的电压与两个电压v h 、v l 经过比较器的比较之后产生振荡器输 出的方波信号c k 。 但是这种电路架构中比较器的延时会使得输出频率与输入控制信号之间 的线性度降低，最大频率也比较低。由于工艺偏差以及温度变化使得输出频率 的漂移比较严重。 1 3 本文的主要工作 在对时钟源的精度和频率要求不高的条件下，r c 振荡器虽然由于成本较低 而很受青睐，但是由于频率偏差较大，线性度比较低一直是r c 振荡器的显著缺 点。为了提高精度，使得输出时钟信号的频率的变化比较小，本文提出了电流 模式控制的振荡器，同时采用电流微调机制使输出信号的频率在不同的工作条 件下稳定在5 0 m h z 。本文的主要工作分别表现在以下几个方面： 1 ) 分析晶体管器件的基本特性，研究工艺尺寸变化所引起的m o s 晶体管阂值电 压和单位面积m o s 晶体管电容的变化情况。从而确定晶体管合理的宽长比的范 围。 2 ) 分析电流控制振荡器的基本工作原理，确定系统的稳定性，构建系统架构。 为了减小工艺偏差采用电流辅助模块来提高输出频率的稳定性。同时为了提高 电流镜的精度采用了新的电流镜电路结构。 3 ) 完成芯片控制部分各个功能模块的电路设计，包括带隙基准电压源、误差放 大器、v - i 转化电路、比较器、r s 触发器、延时控制单元、偏置电流和启动电 路等； 4 ) 采用u m c9 0 n m1 2vi p 8 ml o wl e a k a g e ( l l ) 。p r o c e s s 工艺完成整个芯片 的仿真验证，测量并分析仿真结果。最后，还对版图设计及布局中的一些问题 进行了介绍并给出了后仿真结果。 1 4 本文结构 按照作者课题进行的顺序，本文共分为五章，具体章节安排如下： 第一章：绪论。介绍了选题背景和意义，本论文设计中的主要工作、以及论文 章节安排等。 第二章：m o s 管的特性与电流控制振荡器的基本原理。 第三章：子模块电路设计与验证。 第四章：芯片整体电路仿真验证。 4 第五章：版图设计和系统后仿真。 第六章：总结与展望。总结本文所做的工作，并对课题的发展进行展望。 5 第二章m o s 管的特性与电流控制振荡器的基本原理 由于m o s 管是整个电路设计中最基本的单元，且本设计采用u m c9 0 n t o 工艺，因此我们先从m o s 管的基本特性介绍沟道长度的减小所带来的一些影 响，并分析m o s 电容的c v 特性。最后介绍电流控制振荡器的基本原理和本 设计的要求。 2 1m o s 管的基本特性 2 1 1 阈值电压 随着对自然界认识的不断深刻，人们会追求更优越性能的产品，而高集成 度，小尺寸，低功耗等特性已经成为i c 发展的方向，为了提高器件速度，设计 一直朝着减小器件尺寸方向努力，随着集成度的不断提高，最小尺寸设计现在 已经进入纳米级，根据按比例缩小理论遵循的三原则【8 】： ( 1 ) 器件所有的横向和纵向尺寸都缩小口倍( 口 1 ) ( 2 ) 阂值电压和电源电压缩小口倍。 ( 3 ) 所有的掺杂浓度增加口倍。 因为尺寸和电压一起缩小，根据高斯定理，晶体管内部电场保持不变，所 以又称为叵定电场下的按比例缩小。按照这个理论器件尺寸的减小可以无限 进行。但电源电压没有按比例的缩小会引起电场的变化。会出现阈值电压随沟 道长度减小而减小的短沟道效应。如图2 1 所示，阈值电压随沟道长度的减 小而变小。阈值电压随工艺水平的提高而减小的短沟道效应在数字电路设计中 是个很严重的问题，它使得管子在逻辑低电位时，很容易导通，漏电流比较严 重，甚至在有些条件下会出现管子变成耗尽型阈值电压小于零的现象。 图2 - 1 阈值电压随沟道长度的变化 6 i m a g e d b y $ 0 p - s u b s t r a t e i m a g e db y 6 m 图2 - 2 漏源耗尽区和沟道耗尽区的电荷分布 这主要是由于漏结和源结的耗尽区伸进了沟道区，因而在沟道中减小了由 栅极电荷镜像的固定电荷，即在衬底中的部分固定电荷现在由漏源区内的电荷 镜像产生，而不是由栅极的电荷所镜像，所以会使得形成反型层所需要的栅压 变小。如图2 2 所示。 为了减小短沟道效应，工艺上一般采用h a l o 注入来减小其影响，但这是会 引入使阈值电压增加的反沟道效应( r e v e r s es h o r t c h a n n e le f f e c t ) 即阈值电压 随沟道长度的减下而增加的现象。如图2 3 ，2 4 所示， h a l oi m p l a n t 、，t h 图2 - 3h a l o 注入示意图 图2 - 4h a l o 注入对阈值电压的影响 7 l c h a n n e ll o r u a t h ( u r n ) 图2 5阈值电压随沟道长度的变化 对注入和短沟道效应的敏感性不同，可以成为当沟道小于最小沟道长度时 阈值电压上升的主要原因，另外引起反沟道效应的原因是由于复杂的增强性扩 散机制引起的沟道浓度积累。这些机制包括( 1 ) 氧化作用( 2 ) 轻掺杂漏极引入的破 坏和源漏注入( 3 ) 砷的电钝化( 4 ) 来自多晶栅和氧化层的硼渗透( 5 ) 前后端工艺中 的退火【9 1 。 虽然h a l o 注入减小了短沟道效应得影响，但是反沟道效应会提高阈值电 压，如图2 5 所示。运用h a l o 注入整体的阈值电压在小沟道长度可以增大，如 图2 。4 中的曲线2 。但是因为h a l o 注入时阈值电压增加的数量不好控制，所以 降低整体的阈值电压，如图2 4 中的曲线3 所示。这会使得m o s 器件的跨导的 减小和自身等效电阻的的增加。 采用u m c9 0 纳米工艺仿真的m o s 晶体管阈值电压随沟道长度的变化情 况如图2 6 、2 7 所示： o 7 芑 萝0 6 童 0 5 o 4 0 3 0 2 p r ( v t h n ) t t p a r c v t h n ) s 2 s p a r ( v t h n ) f f p a r ( v t h n ) s f p _ - ( v t h n ) f s 蟪蓬 - 崎 、h 、 、_ 、 0 0 5 0 0 n“ 1 5 u 乱2 5 u 3 u3 5 u4 u4 5 u吼5 5 u6 u6 5 u 7 u 7 5 u 8 u 肌y t hv tl n t h 图2 - 6n 9 0 s 阈值电压随沟道长度的变化关系 芑心胡碧耄lo毛雹声 0 6 乞 暑 三 一 ： o 5 p a e ( v t h p ) t t p w ( v t h p ) 嚣 0 0 5 0 0 ni u i 5 u 2 u 2 5 u 3 u3 5 u4 u4 5 u5 u5 5 u6 u6 5 u 7 u 7 5 u 钿 确0 sv t hwl e t l g t h 图2 7p m o s 阈值电压随沟道长度的变化关系 因此在做模拟电路设计时，为了保证电路的稳定，m o s 晶体管的最小尺寸 长度必须保证变化很小。为了保证阈值电压的稳定，沟道长度有个最小 尺寸的限制。 2 1 2 m o s 晶体管的c v 特性 以n 型m o s 器件的简化结构如图2 8 所示。当把衬底、漏端、源端短接 在一起，这样m o s 器件就可等效为一个电容如图2 - 9 所示。 图2 - 8m o s 器件的结构 1 图9 - 9m o s 器件的等效电容结构 9 肝一拼一鹏一 脚一帅一帅一 (一(_(-篡型 在电路中它可以用于电源电压滤波电容、r c 延时电路、两级运放的弥勒 补偿电容等结构中。采用9 0 n m 的m o s 器件仿真波形如图2 1 0 所示： = ； 眈 k强 f f 强 爹脚 脚 9脚 脬 垡 n m o sc a dv sv o l t a k e 图2 1 0n m o s 等效电容随电压的变化关系 p r c - 口) t t p - r o p p ，晕； 、 i 钐 p r c p p 哺 f f p - r c p p - 弓f p _ “2 u “- o 阽 、 彩、豫 潮 歉 蕊l 墩l 憾7 磐 飞一， p m o sc a pv sv o l t a g e 图2 - i lp m o s 等效电容随电压的变化关系 经过计算等效电容的近似值为1 1 哆么：。 2 2 电流控制振荡器的基本原理 在微控制器和其它a s i c 应用中对时钟源的精度和频率的要求不高，r c 振 荡器广泛很应用，r c 振荡器能够快速启动，由于电阻和电容的成本也比较低， 这也是受欢迎的。 本节会对电流控制模式的r c 振荡器的性能要求、工作原理、电路结构、各 种架构的优缺点和关键技术作较深入的分析。 2 2 1 设计目标 此款电流控制模式r c 振荡器的设计采用u m c 9 0 n m - y _ 艺，通过电压一电流转化 1 0 一 一 一 一 一 一 一 一 擀 阱 搿 畚3 鲁= q p d 嚣 电路来实现对电容的充放电，电容电压与两个参考电压比较产生输出脉冲。电 容和电阻都在芯片的内部。当振荡器工作在电压为1 0 8 v - - 一1 3 2 v ，温度为一4 5 1 2 0 ，t t 、s s 、f f 、s f 、f s c o r n e r ，电阻类型为典型值、最大值、最小值 条件下，整体电路消耗最大电流为6 2 0 1 a 。电源抑制比不大于：1 ：3 5 v ，温度系 数不大于士o 2 o c ，电路启动时间不大于9 p s ，静态电流不大于2 5 p a ，输出最 终为频率5 0 m h z ，占空比( d u t yc y c l e ) 为5 0 的方波信号。同时具有结构简单， 应用灵活的优点。 2 2 2 设计原理 r c 振荡器通过电压一电流转化电路和内部电阻来控制r c 振荡器的频率。r c 振荡器按照不同的架构可分为以下几种：( 1 ) 施密特触发器级联构成的低电流振 荡器，采用施密特触发器级联在一起，这种振荡器器的输出频率比较低，有温 度、电压、c o r n e r 变化所引起的输出频率的偏差比较大，如图2 1 2 所示。( 2 ) 传统的架构的r c 振荡器n 3 ，如图2 - 13 所示。当电容电压达到v h 和v l 其 中一个电压时，r s 触发器就开始时控制信号翻转，使得通过电容的电流方向发 生变化，改变电容两端的电压。有比较器引入的延时是导致振荡器输出频率非 线性的主要因素，因为这个延时是构成振荡器周期的组成部分又不与电流成反 比。所以为了提高线性，比较器的速度必须很快，从而使得比较器的延时相对 于整个振荡器周期来说很小。由于比较器要达到较高的速度，因此3 d b 带宽要 很大才能实现高速的目标，但是带宽的增加会使得带宽降低而使得比较器的精 度降低。因此存在速度与增益的折中( t r a d eo f f ) 。 图2 - 1 2采用施密特触发器级联的振荡器 v 口d t + b 。锻 图2 - 1 3传统的振荡器和波形 对于在传统架构上改进而来的振荡器有的会把电阻和电容集成在芯片内 部，有的会放在外部。本文提出的电流模式的振荡器是把电阻和电容放在内部， 如图2 - 1 4 所示。 皿彳 掣士p 堆b 争串争 如烹意烹删c 0 - - ； 图2 1 4整体电路图 在图2 14 中o a p l 的作用是用来设定高速比较器和延迟比较器的参考电 压。其中电压基准源提供的输出电压为0 4 v 。而o p a 2 的输出直接作用于m o s 器件的栅极而且接成单位放大器的形式，是为了确定振荡器所需要的电流。输 出频率与参考电压和电流的关系如( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 所示。 1 2 唧2 t o s c o + t d , t o t l 2 i 而万司1 2 百1 丽4 t j 唧 c ( 一圪) 1 + d ( 2 1 ) 面衰刁 他- 2 ) 其中、巧分别为高速比较器的反相端输入电压，也是电容进行充放电的 两个阈值，c 为充放电电容，由图2 1 0 可知作n m o s 其栅极电压必须大于o 8 v 不然电容会随着电容电压的变化而变化，在此我们采用m e t a l m e t a l 电容来提 高点容的精度。t d 为比较器的延时。电流i 可以通过调节电阻r 的大小来调节， 从而改变振荡器的频率。而且调节充放电的电容的大小可以改变振荡器输出频 率的大小。同时还有辅助电流模块进行微调。辅助电流模块有逻辑控制模块在 芯片最后的焊接时确定的逻辑值来确定充放电电流的大小。而且辅助电流模块 所用的电流来自于偏置电流源。由( 2 2 ) 式可知在比较器的延时很小的情况下， 输出频率与控制电流为线