基于温度和工艺补偿的高精度时钟电路技术研究

摘要

时钟电路作为绝大多数电路中不可或缺的部分，自出现至今一直在各类电路中扮演着重要角色。随着集成电路制造工艺的进步和应用范围的扩大，时钟电路输出时钟信号的稳定性越来越受到重视。本文设计了一款应用于低频控制系统，输出时钟信号与工艺偏差、温度变化、电源波动等近似无关的高稳定性片内时钟电路。
　　本研究对时钟电路进行了具体的分析，详细研究了工艺偏差和温度变化对电路性能的影响，对比了几种高稳定性时钟电路的实现方法，最终选取了数字校准的方法来实现电路。本文所设计的时钟电路主要包括时钟产生电路和时钟校准电路两部分。时钟产生电路包括基准电路、低压差线性稳压器和环形振荡器。时钟校准电路包含数字控制电路、电流镜阵列和上电复位电路。因为基准电路和低压差线性稳压器需要给环形振荡器提供与温度无关的充放电电流和电源电压，所以设计了一种高阶补偿的基准电路。通过分析三极管的温度特性，采用VBE线性化补偿的方式对三极管导通电压的高阶项进行补偿，最终得到的基准电压的温漂小于5ppm/℃。为了抑制电源噪声对时钟频率的影响，设计了基于动态密勒补偿的LDO为环形振荡器供电。为了进一步提供时钟信号的稳定性，减小因工艺偏差造成的误差，设计了一种快速收敛的数字校准算法，此算法具有收敛速度快、精度高的特点。时钟信号反馈给数字控制模块，经过数字校准算法输出一个8位的信号控制电流镜阵列的充放电电流，来减小因工艺波动和温度变化造成的时钟信号的偏差。设计的基于温度和工艺补偿的时钟电路采用 SMIC0.18um MMRF标准CMOS工艺，前仿结果表明，在tt、ff、ss、snfp、fnsp工艺角和-40℃~80℃温度变化范围内，输出信号的频率为2MHz，误差均在±2％以内。后仿结果与前仿结果一致，然后进行了MPW的流片验证。最终流片测试验证结果显示，芯片在不同的温度下和一定的电源电压范围内均满足设计要求。

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第一章 绪论

1.1时钟电路研究背景及意义

1.2国内外研究现状与发展趋势

1.3论文的主要工作以及结构

第二章 时钟电路的工作原理与分类

2.1时钟电路的工作原理

2.2时钟电路的典型结构

2.3本章小结

第三章 PVT对环形振荡器频率的影响及解决方案

3.1温度变化对环形振荡器频率的影响

3.2工艺偏差对环形振荡器频率的影响

3.3电源波动对环形振荡器频率的影响

3.4基于温度和工艺补偿的时钟电路的系统设计

3.5本章小结

第四章 时钟产生电路的设计

4.1高精度基准电路

4.2稳压电路

4.3电流饥饿型环形振荡器

4.4本章小结

第五章 时钟校准电路设计

5.1数字控制电路

5.2电流镜开关阵列

5.3上电复位电路

5.4本章小结

第六章 整体仿真、版图设计与流片验证

6.1电路的整体仿真

6.2电路的版图设计与后仿

6.3芯片测试

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作内容总结

7.2创新点与不足

参考文献

致谢

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