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时间:2020-02-29
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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
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