电流控制模式RC振荡器的设计

摘要

本设计是采用RC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Trimming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MOS晶体管在90nm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(OPA)、比较器(Comparator)、高精度电流镜。该芯片采用UMC90nm Low leakage RVT CMOS工艺，电源电压范围为1.08V～1.32V，输出时钟频率为50MHz，占空比50％。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-40℃至125℃； 在完成电路原理分析与电路结构设计的基础之上，应用EDA软件HSPICE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1.08V～1.32V，温度-40℃～125℃，电阻类型为典型、最大、最小三种情况，Corner为TT、SS、FF、SF、FS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。

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致谢

第一章 绪论

1.1课题的背景与意义

1.2振荡器类型与原理

1.2.1基于共振的振荡器

1.2.2环形振荡器

1.2.3 RC振荡器

1.3本文的主要工作

1.4本文结构

第二章MOS管的特性与电流控制振荡器的基本原理

2.1 MOS管的基本特性

2.1.1阈值电压

2.1.2 MOS晶体管的C-V特性

2.2电流控制振荡器的基本原理

2.2.1设计目标

2.2.2设计原理

第三章子模块电路设计与验证

3.1基准电压源的设计

3.1.1本文设计的带隙基准电路

3.1.2启动电路

3.1.3基准电压源的仿真验证

3.2偏置电流源的设计

3.2.1启动电路和与电源无关的偏置电路

3.2.2仿真验证

3.3运放的设计

3.3.1电流镜中钳位运放的分析与设计

3.3.2 提供比较器参考电压的运放与V-I运放的设计

3.4比较器的设计

3.4.1参考电压为0.4V比较器的设计

3.4.2参考电压为0.4V比较器的仿真验证

3.4.3参考电压为0.8V的比较器设计

3.4.4参考电压为0.8V的比较器的仿真验证

3.4.5延时比较器

3.4.6延时比较器的设计

3.4.7延时比较器仿真验证

3.4.8整个延时单元的仿真

3.5电流镜精度的提高

第四章整体电路的仿真验证

4.1仿真流程

4.2仿真结果和分析

4.2.1输出信号随电压变化的仿真

4.2.2输出信号随温度变化的仿真

第五章版图设计及后仿真

5.1 版图设计流程

5.2版图设计中应注意的事项和典型模块的画法

5.2.1电路模块的布局

5.2.2去耦合的方法

5.2.3走线的技巧

5.2.4器件的匹配(电阻、电容、MOS)

5.2.5电阻的匹配

5.2.6电容的匹配

5.2.7 MOS管的匹配

5.2.8天线效应(Antenna Effect)

5.2.9典型模块的画法

5.3本设计中版图

5.4版图验证、后仿真和测试

5.4.1版图验证和寄生参数提取

5.4.2版图后仿真

5.4.3芯片的测试

第六章总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文