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系統識別號 U0002-0801200912470400
中文論文名稱 振盪器之溫度補償設計與分析
英文論文名稱 Oscillator Design and Analysis for Temperature Compensation
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 97
學期 1
出版年 98
研究生中文姓名 林正峰
研究生英文姓名 Chang-Feng Lin
學號 792350257
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-12-12
論文頁數 61頁
口試委員 指導教授-楊維斌
委員-江正雄
委員-宋國明
中文關鍵字 振盪器  溫度補償 
英文關鍵字 Oscillator  temperature compensation 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 有別於以往的複雜電路,本論文提供簡單的電路實現一穩定且具溫度補償的振盪器,其架構由一溫度及電壓補償之電流源和一環型電流控制震盪器組合而成。
在電流源部份,其利用傳統的電流源具有正電壓及正溫度的特性,加上一進階電流源,其具有負溫度系數的特性,再透過電路設計為一負電源之電流源,組合成一具有溫度及電壓補償之電流源,以台灣積體電路公司0.35μm製程實現一定電流源,模擬結果溫度於-40度到85度,其電流變化為±99.2 ppm/℃,電壓於2.5伏特到3.8伏特,其電流變化為±2 %。
環型電流控制震盪器部分,其架構是由五級的反向器組合而成,其中延遲的時間由MOS中的寄生電容以及定電流源的電流產生,本篇論文將輸出頻率設計在4MHz,此頻率可應用在一般IC內部震盪頻率,再將其除頻後可作為時間計數用,之所以沒有設計更高頻的原因是考慮到電源消耗的問題。
英文摘要 This paper presents a simple oscillator with temperature compensation which is different from the other complex circuit. The oscillator is composed of ring oscillator and current reference which works with power supply and temperature compensation.
In current reference circuit, the traditional current reference circuit is utilized to exhibit positive supply voltage and positive temperature coefficient. And the advance current reference circuit is utilized to exhibit negative supply voltage and temperature coefficient. By combining these two components with adding operation, the output current will eliminate the variation of supply voltage and temperature. The current reference simulate with 0.35μm standard CMOS process. Simulated results shows that the variation is roughly ±2% with a supply voltage range from 2.5 V to 3.8 V and the temperature variation is roughly ±99.2ppm/ ℃ over a temperature range from -40 ℃ to 85℃.
In ring oscillator, a five-stage inverter is utilized. The time delay produced by the circuit which is given by the total parasitical capacitance seen at the output of each stage. The output frequency of this study is 4MHz, which can be used in IC with frequency divider. Due to a limited power consumption, the output frequency can not be increased.
論文目次 目錄
中文摘要…………………………………………ii
英文摘要…………………………………………iii
目錄………………………………………………iv
圖目錄……………………………………………vii
表目錄……………………………………………xi

第一章:緒論………………………………………1

1.1前言………………………………………………1
1.2研究動機…………………………………………2
1.3 論文架構…………………………………………3

第二章:環型振盪器的原理與架構…………………4

2.1振盪器的基本架構…………………………………4
2.1.1 正回授系………………………………………4
2.2環型振盪器…………………………………………7
2.2.1 單級環型振盪器………………………………7
2.2.2 三級環型振盪器………………………………8
2.2.3 偏斜延遲環型振盪器…………………………11
2.3電感電容串接迴路振盪器…………………………15
2.4 振盪器的相位雜訊分析…………………………17
2.4.1 線性非時變……………………………………17
2.4.2線性時變…………………………………………20

第三章 補償式參考電流源……………………………26

3.1補償式參考電流源的架構…………………………26
3.2傳統參考電流源……………………………………26
3.2.1 啟動電路…………………………………………28
3.2.2傳統電流源的動作原理…………………………29
3.3進階參考電流源……………………………………32
3.4組合電路……………………………………………35

第四章 溫度補償振盪器之設計與分析……………38

4.1電流控制環型振盪器………………………………38
4.2電流控制環型振盪器對溫度的影響………………41
4.2.1 單端控制反向器環型振盪器……………………42
4.2.2單端控制Pseudo-NMOS環型振盪器………………44
4.2.3 雙端控制環型振盪器……………………………45
4.3溫度補償環型振盪器………………………………47
4.3.1 參考電流源………………………………………47
4.3.1.1 啟動電路………………………………………47
4.3.1.2 參考電流源電路及模擬結果…………………49
4.3.2 補償式環型振盪器及模擬結果…………………52
4.3.3 預計規格表………………………………………53
4.3.4 補償式環型振盪器晶片 layout 圖……………54
4.4溫度對各種振盪器的比較……………………………55
4.3.1電阻與電容環型振盪器……………………………55
4.3.2傳統電流源控制環型振盪器………………………56
4.3.3各種振盪器對溫度變化比較表……………………57

第五章 結論………………………………………………59

參考文獻…………………………………………………60

圖目錄
圖2.1 各種振盪系統……………………………………5
圖2.2 N級全差動環型振盪器……………………………5
圖2.3 單級環型振盪器…………………………………7
圖2.4 三級環型振盪器…………………………………8
圖2.5 180°時的相位……………………………………9
圖2.6 三級回授系統……………………………………10
圖2.7 三級 CMOS 反相器之環型振盪器………………11
圖2.8 三級 CMOS 環型振盪器之理想輸出波形………12
圖2.9 傳統五級 COMS 環型振盪器……………………13
圖2.10 一偏斜延遲架構示意圖…………………………13
圖2.11 輸入波形的比較…………………………………13
圖2.12 偏斜延遲環形振盪器……………………………14
圖2.13 電感電容諧振迴路………………………………15
圖2.14 單端能量系統補償法示意圖……………………16
圖2.15 (a) 理想上振盪器信號 (b) 實際上振盪器信號…17
圖2.16 線性振盪系統……………………………………18
圖2.17 振盪器雜訊產生示意圖…………………………19
圖2.18 電流脈衝引起 LC 諧振振盪………..…………20
圖2.19 在 LC 諧振電路加入脈衝響應…..……………21
圖2.20 LC tank振盪器的脈衝靈敏函數範例……………21
圖2.21 方程式區塊圖……………………………………22
圖2.22 脈衝靈敏函數等效系統…………………………22
圖2.23 電路雜訊進入相位雜訊的發展.…………………24
圖3.1 補償式參考電流源電路架構………………………26
圖3.2 傳統電流源…………………………………………27
圖3.3 傳統電流源電路之工作點…………………………27
圖3.4 啟動電路……………………………………………28
圖3.5 啟動電路模擬波型…………………………………29
圖3.6 傳統電流源對溫度變動的關係圖…………………30
圖3.7 傳統電流源對電源變動的關係圖…………………31
圖3.8 進階參考電流源電路………………………………32
圖3.9 進階電流源對溫度變動的關係圖…………………34
圖3.10 進階電流源對電壓變動的關係圖…………………35
圖3.11 組合電路……………………………………………35
圖3.12 具電源電壓補償之參考電流源……………………36
圖3.13 具溫度補償之參考電流源…………………………37
圖4.1 電流環型振盪器……………………………………38
圖4.2 (a) 一階電流、電容充放電電路示意圖, (b) 小訊號模型…39
圖4.3 三級電阻、電容環型振盪器的相位圖……………40
圖4.4 五級電阻、電容環型振盪器的相位圖……………40
圖4.5 單端控制反向器環型振盪器………………………43
圖4.6 單端控制反向器環型振盪器對溫度變動的關係…43
圖4.7 單端控制 Pseudo- Nmos 環型振盪器……………44
圖4.8 單端控制 Pseudo- Nmos 環型振盪器對溫度及製程變動的關係…45
圖4.9 雙端控制環型振盪器………………………………46
圖4.10 雙端控制環型振盪器對溫度變動的關係………46
圖4.11 溫度補償之環型振盪器之架構…………………47
圖4.12 啟動電路…………………………………………48
圖4.13 啟動電路模擬波形………………………………49
圖4.14 補償式參考電流源電路…………………………50
圖4.15 負溫度係數參考電流源與 layout 後模擬之模擬結果…50
圖4.16 正溫度係數參考電流源與 layout 後模擬之模擬結果…51
圖4.17 補償式參考電流源與 layout 後模擬之模擬結果…52
圖4.18 補償式環型振盪器與 layout 後模擬之模擬結果…53
圖4.19 補償式環型振盪器晶片layout圖………………54
圖4.20 電阻與電容環型振盪器電路……………………56
圖4.21 電阻與電容環型振盪器輸出頻率對溫度的曲線圖…56
圖4.22傳統電流源環型振盪器頻率對溫度的曲線圖……57

表目錄
表 1.1 各種振盪器特性比較………………………………2
表 1.2 傳統石英振盪器和晶片振盪器比較表……………3
表 4.1 補償式環型振盪器與 layout 後模擬規格表……53
表4.2各種振盪器對溫度變化比較表………………………58
表4.3各種振盪器特性比較表………………………………58
參考文獻 [1] B. Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-Hill, 2001.
[2]S. J. Lee, “A novel high-speed ring oscillator for multiphase clock generation using negative skewed delay scheme”, IEEE Trans. Solid-State Circuit, vol. 32, No. 2, Feb. 1997.
[3] B. Razavi, “A study of phase noise in CMOS oscillators”, IEEE Trans. Solid-State Circuit, vol. 31, Issue 3, March 1996, pp. 331 – 343.
[4] T. H. Lee, and A. Hajimiri, “Oscillator phase noise: a tutorial”, IEEE Trans. Solid-State Circuit, Vol. 35, Issue 3, March 2000, pp. 326-336
[5]張庭偉, “互補式金氧半導體參考電流源及參考電壓源設計”, 碩士論文 北台灣技術學院機電整合研究所, 六月, 民國九十五年
[6] R. F. Pierret, “Semiconductor Device Fundamentals”, Reading, MA:Addison-Wesley, 1996.
[7] P. E. Allen and D. Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”, New York: Oxford Univ. Press, 2002.
[8]黃國晉, “互補式金氧半導體參考電壓源及線性穩壓器之設計”, 碩士論文 北台灣技術學院機電整合研究所, 六月, 民國九十六年
[9] K. Nagaraj, PA . Allentown, ”A Low Supply Voltage High PSRR Voltage Reference in CMOS Process”, IEEE Trans. Solid-State Circuit, vol. 30, pp.586-590, May 1995.
[10] G. D. Vita, F. Marraccini and G. Iannaccone, “Low-Voltage Low-Power CMOS Oscillator with Low Temperature and Process Sensitivity” ,in proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS 2007) , Issue 27-30, May 2007, pp. 2152-2155
[11]K. Sundaresan, P. E. Allen and F. Ayazi, “Process and temperature compensation in a 7-MHz CMOS clock oscillator” ,IEEE Trans. Solid State Circuits, vol. 41, No. 2, Feb. 2006.
[12] J. G. Maneatis, “Low-jitter process-independent DLL and PLL based on self-biased techniques” ,IEEE Trans. Solid-State Circuits, vol. 31, No. 11, pp. 1723–1732, Nov. 1996.
[13] W. Rahajandraibe, L. Zaid, V. Cheynet de Beaupre and G. Bas , “Temperature Compensated 2.45 GHz Ring Oscillator with Double Frequency Control” ,in proc. IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, Issue 3-5, June 2007, pp. 409-412
[14] S. S. Lee, T. G. Kim, J. T. and S. W. Kim, “Process-and-temperature compensated CMOS voltage-controlled oscillator for clock generators” ,ELECTRONICS LETTERS Vol. 39 No. 21, pp. 1481-1485, oct. 2003.
[15] A. Olmos, “A Temperature Compensated Fully Trimmable On-Chip IC Oscillator” ,in proc. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS 2003), Issue 8-11, Sept. 2003, pp. 181-186
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