一种应用于SDMMC控制器的RC振荡器设计.pdf

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1、第３７卷第１期杭州电子科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１２０１７年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）Ｊａｎ．２０１７ＤＯＩ：１０．１３９５４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｕ．２０１７．０１．００２一种应用于ＳＤ／ＭＭＣ控制器的ＲＣ振荡器设计骆建军１，范旭东１，刘海銮２（１．杭州电子科技大学微电子研究中心，浙江杭州３１００１８；２．杭州华澜微电子股份有限公司，浙江杭州３１１２１５）摘要：设计了一种数字可调ＲＣ振荡器电路，并将其集成于ＳＤ／ＭＭＣ控制器芯片，用于产生对存储介质的控制时钟．该

2、ＲＣ振荡器是一种张弛振荡器，使用内部ＭＯＳ电容，可选择使用内部电阻或外部电阻，其内部电阻为３位可调节．使用ＣａｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅ仿真平台对所设计的电路进行仿真．最后，将所设计电路应用于基于ＳＭＩＣ０．１３μｍ逻辑ＣＭＯＳ工艺的ＳＤ／ＭＭＣ控制器芯片上，芯片测试结果表明，该振荡器的中心频率约为３０６ＭＨｚ，在－１０～８０℃的温度范围内精度达到±０．４２％，满足应用要求．关键词：ＲＣ振荡器；ＳＤ／ＭＭＣ控制器芯片；频率可调中图分类号：ＴＮ７５文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９１４６（２０１７）０１－０００６－０５０引言时钟信号是大规模数字集成电路的重要

3、组成部分．ＲＣ振荡器因其结构简单、成本低、易于集成等优点，广泛应用于片上时钟产生电路．传统ＲＣ振荡器的输出频率受电路延时、工艺、电源及温度的影响，误差在１％～１０％之间．国内外学者对ＲＣ振荡器的研究工作主要集中在提高其精度上．文献［１］设计了一种利用电压反馈控制的ＲＣ振荡器，通过采样自身输出信号的脉冲宽度，将其转换为电压信号，并与一个参考电压比较，纠正了由温度变化及电路延迟产生的频率误差．文献［２］提出了一种数字可调ＲＣ振荡器，通过仿真确定了振荡器频率在工艺、温度及电压变化时的误差，使用多晶硅可调电阻阵列消除了电源及工艺变化引起的误差．文献［３－４］通过对

4、并联电流镜进行控制，改变振荡器的工作电流，实现对频率的修调．通过双比较器对称结构加ＲＳ触发器的设计，消除了比较器延迟带来的误差．文献［５］设计的ＲＣ振荡器应用于无线传感器，其结构能消除比较器输入失调电压的影响，提高了精度，并针对超低功耗应用进行了优化．文献［６］提出的自校准ＲＣ振荡器，利用环形振荡器感知环境温度的变化．计数器对环形振荡器输出信号周期进行计数，产生反馈信号，控制主ＲＣ振荡器的电容阵列，减小温度对输出频率的影响．上述文献所设计的ＲＣ振荡器频率都低于２０ＭＨｚ．在分析比较了各种ＲＣ振荡器结构的基础上，本文设计了一种高频数字可调ＲＣ振荡器，采用双比

5、较器加ＲＳ触发器结构，可选择使用内部可调电阻或外部电阻对频率进行调节，降低了温度、电源电压以及工艺偏差对输出时钟频率的影响，提供了一个高频率高稳定度的片上时钟信号，并应用于ＳＤ／ＭＭＣ控制器芯片内部．１电路设计１．１总体设计本文设计的ＲＣ振荡器电路总体结构如图１所示．运算放大器ＡＭＰ，ＮＭ１和电阻Ｒ组成电压－电流收稿日期：２０１６－０９－１８基金项目：浙江省固态存储和数据安全关键技术重点科技创新团队资助项目（２０１３ＴＤ０３）；浙江省固态硬盘和数据安全技术重点实验室资助项目（２０１５Ｅ１０００３）作者简介：骆建军（１９７０－），男，浙江诸暨人，教授，固态硬

6、盘和数据安全．第１期骆建军，等：一种应用于ＳＤ／ＭＭＣ控制器的ＲＣ振荡器设计７转换电路．运放的正向输入端接参考电压ＶＲＥＦ输出端直接连到ＮＭ１的栅极，ＮＭ１的源极反馈到运放反向输入端．这样，电阻Ｒ上端的电压就被钳制为ＶＲＥＦ，使流过电阻Ｒ的电流ＩＲＥＦ与Ｒ的大小成反比，即ＩＲＥＦ＝ＶＲＥＦ［７］．ＰＭ１，ＰＭ３组成基本电流镜，基准电流为ＩＲＥＦ．流过ＰＭ３的电流ＩＣ为ＩＲＥＦ的一个精确复制，其大小Ｒ为ＩＣ＝ＩＲＥＦ（Ｗ／Ｌ）３／（Ｗ／Ｌ）１，其中（Ｗ／Ｌ）３和（Ｗ／Ｌ）１分别为ＰＭ３和ＰＭ１的宽长比．恒定电流ＩＣ为电容Ｃ１，Ｃ２充电．ＰＭ５，ＰＭ６，ＮＭ３

7、，ＮＭ４为电容充放电的控制开关．当ＣＴＬ信号为低电平时，开关管ＰＭ５导通，ＰＭ６关断，电流ＩＣ全部流过ＰＭ５对电容Ｃ１充电．随着Ｃ１电压升高，ＣＭＰ１电压逐渐降低．ＣＭＰ１通过反相器接到开关管ＮＭ３栅极，ＮＭ３的栅极电压升高，最后使ＮＭ３导通，电容Ｃ１通过ＮＭ３放电．Ｃ１放电结束，ＣＴＬ信号变为高电平，开关管ＰＭ５关断，ＰＭ６导通，电流ＩＣ全部流过ＰＭ６对Ｃ２充电，充放电过程同Ｃ１．随着电流ＩＣ轮流为Ｃ１，Ｃ２充电，ＲＳ触发器的输出端产生周期性的脉冲方波．Ｃ１，Ｃ２的充电周期分别为Ｔ１＝Ｃ１ＶＣ／ＩＣ，Ｔ２＝Ｃ２ＶＣ／ＩＣ．ＶＣ为电容充电使反相器发生翻转所

8、需达到的电压．因此，脉冲方波的振荡周期为：Ｃ１ＶＣＣ２ＶＣ２ＣＶＣ