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/℃。

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.

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

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