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系統識別號 U0002-0409201212031000
中文論文名稱 具製程、電壓及溫度飄移補償之低供應電壓參考時脈振盪器電路
英文論文名稱 A low supply voltage oscillator with detecting process, voltage and temperature drift circuit
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 鄭景燦
研究生英文姓名 Ching-Tsan Cheng
學號 600450034
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-09
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-楊維斌
委員-呂學坤
委員-江正雄
委員-羅有龍
委員-施鴻源
中文關鍵字 振盪器  製程  溫度  電壓  參考電流源 
英文關鍵字 compensation  oscillator  current  PVT 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 在系統晶片化的時代,時序電路儼然就是數位電路的中樞,振盪器更在其中扮演一關鍵性的元件。目前3C產品的蓬勃發展中,皆以輕、薄、省電與節省成本為最大訴求,因此在節省面積與降低功耗的同時,系統依然保持著穩定的操作功能便是此研究目的。
系統晶片會隨著製程、供應電壓定與溫度偏異而產生飄移,電路上會產生非理想的偏異,會造成系統上的不穩定,進而造成晶片的不正常工作,更嚴重而導致晶片的損壞,如何設計出一不隨製程、電壓與溫度變異的振盪器便是研究中一個重要的議題,在電路的設計上使用低供應電壓則大幅降低功率的損耗,因此,此論文目標為設計出一個具製程、電壓及溫度飄移之低供應電壓參考時脈振盪器電路。
整體電路可分為三大部分,第一部分為設計偏壓參考電流源,其中包含了正溫度係數電流與負溫度係數電流來完成溫度補償。接著利用輸出電流調整電路來補償因為製程所產生的變異。第二部份為四級差動延遲單位所組成的環型振盪器,而第三部分為雙端轉單端頻率輸出架構(CKAMR)。在正常供應電壓1.8V操作環境下,透過量測結果可得知在供應電壓變化由1.62~1.98V下電壓變異係數為0.13%,溫度變化在0~100℃時其溫度變異係數為48.8ppm/℃。
接著,為了降低其功耗,進而將供應電壓降至0.9V,同時將溫度範圍提升至-25~125℃進行模擬。此外,為了達到輸出頻率的單調性與一致性,改由溫度碼電流電路來進行設計模擬。最後我們所提出之具製程、電壓及溫度飄移之低供應電壓參考時脈振盪器電路其在供應電壓變化在0.81~0.99V時其電壓變異係數為0.76%,溫度變化在-25~125℃時溫度變異係數為53.5 ppm/℃。
英文摘要 This thesis presents two oscillators with detecting process, voltage and temperature (PVT) drift working in difference supply voltage for 25-MHz clock oscillator. The oscillator circuits are composed of current reference circuit and ring oscillator and CKAMR.
The current reference circuit is composed of complementary-to-absolute-temperature (CTAT) and a proportional-to-absolute-temperature (PTAT) to compensated temperature variation. And output current adjustment circuit is used to overcome process variation. The voltage variation is compensated by the connecting structure between current reference and oscillator. The first oscillator is measured in TSMC 0.18μm CMOS technology. The measured temperature variation coefficient is 48.8 ppm/℃ across a temperature range of 0℃ to 100℃, and voltage variation coefficient is 0.13% for a supply voltage range from 1.62V to 1.98V. Power consumption is 64uW.
Finally, in order to reduce power consumption, we design the oscillator circuit operates in 0.9V. And the output current adjustment circuit is replaced by Thermal Code Current Circuit to avoid glitch when current is changed. In post-simulation, temperature variation coefficient is 53.5 ppm/℃ across a temperature range of -25℃ to 125℃, and voltage variation coefficient is 0.76% for a supply voltage range from 1.62V to 1.98V. Power consumption is 13.4uW.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
內文目錄 III
圖表目錄 VI

第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 設計流程 2
1.3 論文架構 4

第二章 電源控制振盪器電路參數分析與原理 5
2.1製程、電壓與溫度參數分析 6
2.1.1溫度變異係數 6
2.1.2電壓變異係數 8
2.2參考電流源 8
2.2.1參考電流源與溫度變異係數關係分析 9
2.2.2參考電流源與供應電壓關係分析 11
2.3振盪器概論 13
2.3.1單端輸入環型振盪器 14
2.3.2雙端差動輸入環型振盪器 16
2.4文獻回顧與探討 19
2.4.1數位式具製程、溫度補償之參考電流源 19
2.4.2類比式具溫度補償之參考電流源 20
2.4.3數位式具溫度補償振盪器電路 22
2.4.4類比式具溫度、製程補償之振盪器電路 23

第三章 具製程、電壓及溫度飄移補償參考時脈振盪器電路設計 26
3.1電流控制振盪器設計 26
3.1.1參考電流源電路設計 27
3.1.2差動輸入環型振盪器 35
3.1.3輸出架構 36
3.2電路模擬與佈局 37
3.3量測考量與結果 56

第四章 具製程、電壓及溫度飄移補償之低供應電壓參考時脈振盪器電路設計 60
4.1 熱代碼電流電路 61
4.1.1二進位轉熱代碼解碼器 62
4.1.2電流架構 64
4.2 電路佈局與模擬 65

第五章 結論 82
5.1結論與未來展望 82

參考文獻 83


圖目錄
圖1.1晶片設計流程圖 3
圖2.1振盪器受製程、電壓與溫度變異影響示意圖 6
圖2.2溫度補償前振盪頻率與溫度補償後振盪頻率示意圖 7
圖2.3具溫度補償參考電流源系統架構圖 9
圖2.4與供應電壓無關之電流源電路 12
圖2.5振盪器線性模型 14
圖2.6傳統三級環型振盪器 15
圖2.7傳統三級環型振盪器理想時序圖 15
圖2.8差動輸入環型振盪器 17
圖2.9四級差動輸入環型振盪器時序圖 18
圖2.10數位式具製程、溫度補償之參考電流源 19
圖2.11參考電流示意圖 20
圖2.12類比式溫度補償電流源電路 21
圖2.13數位式具溫度補償振盪器電路 22
圖2.14具溫度及製程補償之振盪器電路 23
圖3.1具製程、電壓及溫度飄移補償參考時脈振盪器電路架構 26
圖3.2具製程、電壓及溫度飄移補償參考時脈振盪器設計流程圖 27
圖3.3偏壓電流源架構圖 28
圖3.4偏壓電流電路 29
圖3.5負溫度係數電流斜率調整電路(Trim1) 32
圖3.6正溫度係數電流斜率調整電路(Trim2) 32
圖3.7輸出電流調整電路(Trim3) 33
圖3.8電流路徑數位控制器 35
圖3.9差動延遲單位 36
圖3.10四級差動輸入環型振盪器 36
圖3.11頻率輸出架構 37
圖3.12未最佳化輸出頻率對溫度變異模擬圖 39
圖3.13最佳化後輸出頻率對溫度變異示意圖 40
圖3.14未最佳化輸出頻率對電壓變異模擬圖 41
圖3.15最佳化後輸出頻率對電壓變異示意圖 43
圖3.16責任週期 44
圖3.17電路佈局圖 47
圖3.18電路佈局示意圖 47
圖3.19 Post-layout Sim.未最佳化輸出頻率對溫度變異模擬圖 48
圖3.20最佳化後輸出頻率對溫度變異示意圖 50
圖3.21 Post-layout Sim.未最佳化輸出頻率對電壓變異模擬圖 52
圖3.22 Post-layout Sim.最佳化後輸出頻率對電壓變異示意圖 53
圖3.23Post-layout Sim.責任週期 54
圖3.24蒙地卡羅模擬圖 57
圖3.25量測儀器示意圖 57
圖3.26未最佳化輸出頻率對溫度變異量測圖 57
圖3.27最佳化後輸出頻率對溫度變異量測圖 58
圖3.28未最佳化輸出頻率對電壓變異量測圖 58
圖3.29最佳化後輸出頻率對電壓變異量測圖 59
圖3.30量測波型圖 59
圖3.31量測波型抖動 60
圖4.1具製程、電壓及溫度飄移補償之低供應電壓參考時脈振盪器架構圖 61
圖4.2電流切換示意圖 62
圖4.3 3-to-8 Binary-to-Thermal 時序圖 63
圖4.4溫度碼電流架構 65
圖4.5未最佳化輸出頻率對溫度變異模擬圖 66
圖4.6最佳化後輸出頻率對溫度變異示意圖 68
圖4.7未最佳化輸出頻率對電壓變異模擬圖 69
圖4.8最佳化後輸出頻率對電壓變異示意圖 70
圖4.9責任週期 71
圖4.10電路佈局圖 73
圖4.11電路佈局示意圖 74
圖4.12 Post-layout Sim.未最佳化輸出頻率對溫度變異模擬圖 75
圖4.13最佳化後輸出頻率對溫度變異示意圖 76
圖4.14 Post-layout Sim.未最佳化輸出頻率對電壓變異模擬圖 78
圖4.15最佳化後輸出頻率對電壓變異示意圖 79
圖4.16 Post-layout Sim.責任週期 80
圖4.17蒙地卡羅模擬圖 81

表目錄

表2.1數位式作法與類比式作法參考文獻比較表 25
表3.1輸出電流調整腳位對應表 35
表3.2最佳化後輸出頻率對溫度變異統計表 41
表3.3最佳化後輸出頻率對電壓變異統計表 43
表3.4 Pre-Layout Simulation Results 46
表3.5 Post-layout Sim.最佳化後輸出頻率對溫度變異統計表 51
表3.6 Post-layout Sim.最佳化後輸出頻率對電壓變異統計表 54
表3.7 Post-Layout Simulation Results 56
表3.8 量測結果 60
表4.1 3-to-8 Binary-to-Thermal 腳位對照表 63
表4.2 Binary-to-Thermal 對照表 64
表4.3最佳化後輸出頻率對溫度變異統計表 68
表4.4最佳化後輸出頻率對電壓變異統計表 71
表4.5 Post-layout Sim.最佳化後輸出頻率對溫度變異統計表 77
表4.6最佳化後輸出頻率對電壓變異統計表 80
表4.7 Simulation Results 82
參考文獻 [1] Z.Y. Huang, J.S. Chiang, W.B. Yang, C.H. Wang, “A New Temperature Independent Current Controlled Oscillator,” International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communications Systems, Dec. 2011, pp. 1-4.
[2] 林正峯, “振盪器之溫度補償設計與分析,” TKU碩士論文, Jan. 2009
[3] B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics. Boston, MA: Wiley&Sons Inc., 2008.
[4] 許仲延, “BSIM3v3 模型介紹與萃取方法,” Taiwan:安捷倫科技股份有限公司, 2006
[5] B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits. New York: McGraw-Hill, 2001.
[6] 劉深淵、楊清淵。鎖相迴路。Taiwan:滄海書局, 2006
[7] L. Luo, X. Cai, Z. Li, “The design of sub-threshold reference circuit using resistor temperature compensation,” IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, Aug. 2009, pp. 78-81.
[8] Z. Huang, Q. Luo, Y. Inoue, "A CMOS Sub-1-V NanoPower Current and Voltage Reference with Leakage Compensation," IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Aug, 2010, pp. 4096-4072.
[9] A. Ahmed et al., "A highly stable CMOS Self-Compensated Oscillator (SCO) based on an LC tank temperature Null concept," Joint Conference of the IEEE International Frequency Control and the European Frequency and Time Forum, May 2011, pp.1-5.
[10] Z. Xuan, A.B. Apsel, "A Low-Power, Process- and- Temperature- Compensated Ring Oscillator With Addition- Based Current Source,” IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Papers, pp.868-878, May. 2011.
[11] K. Sundaresan, P.E. Allen, F. Ayazi, “Process and temperature compensation in a 7-MHz CMOS clockoscillator,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 41, No. 2, pp. 433-442, Feb. 2006.
[12] Q. Zhou, L. Li, G. Chen, “An RC Oscillator with Temperature Compensation for Accurate Delay Control in Electronic Detonators,” IEEE International Conference of Electron Devices and Solid-State Circuits, Dec. 2009, pp. 274-277.
[13] S.Y. Seo, J.H. Chun, Y.H. Jun, K. Seok, K.W. Kwon, “A Digitally Controlled Oscillator With Wide Frequency Range and Low Supply Sensitivity,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II, Exp.2Briefs, vol. 58, no. 10, pp. 632-636, Oct. 2011.
[14] C.Y. Yu, C.Y. Lee, "A 0.6V 200kHz Silicon Oscillator with Temperature Compensation for Wireless Sensing Applications," IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2011, pp. 1-4.
[15] R. Mina, G. Maged, I. Yehea, “A dynamic calibration scheme for on-chip process and temperature variations,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2011, pp. 2047-2050.
[16] L. Luo, X. Cai, Z. Li, “The design of sub-threshold reference circuit using resistor temperature compensation,” IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, Sep, 2009, pp. 78-81.
[17] M. El-Hage and F. Yuan, “An overview of low-voltage VCO delay cells and a worst-case analysis of supply noise sensitivity,” in Proc. of the Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, May 2004, pp. 1785-1788.
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