【摘要】：隨著近年來可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居和人機(jī)界面的快速發(fā)展,特別是中國互聯(lián)網(wǎng)大眾創(chuàng)新的浪潮推動(dòng)下,智能設(shè)備需求的迅速發(fā)展與推廣,MCU的市場(chǎng)需求與功能要求也是日新月異,發(fā)展迅速。與此同時(shí),MCU設(shè)計(jì)的要求也越來越高,并且運(yùn)行的溫度條件也日益苛刻。因此MCU片上集成時(shí)鐘RC振蕩器不僅要求低成本低功耗,還要求輸出減少頻率受電壓和溫度變化的影響。本課題就探討RC振蕩器如何抵消溫度變化的影響并提出一種新的溫度補(bǔ)償方法。RC振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究成果,但是通過分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)方法或者實(shí)現(xiàn)成本和復(fù)雜度較大,或者溫度補(bǔ)償不能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),對(duì)大跨度的溫度補(bǔ)償和器件老化的可靠性來說不利。結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)后確定的溫度補(bǔ)償方案是能自動(dòng)調(diào)節(jié)的數(shù)字控制反饋電路設(shè)計(jì)。然而振蕩器的動(dòng)態(tài)溫度補(bǔ)償需要以最快的速度完成,因此數(shù)字調(diào)節(jié)碼搜索算法選擇和優(yōu)化成為另一個(gè)關(guān)鍵問題。通過對(duì)當(dāng)前測(cè)試過程中常用的數(shù)字調(diào)節(jié)碼搜索算法的研究和分析后,提出了一種更好的搜索算法來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)結(jié)合RC振蕩器采用的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)電路,經(jīng)過對(duì)算法優(yōu)化,使得新算法的硬件實(shí)現(xiàn)更簡單。整個(gè)方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后會(huì)做電路的混合信號(hào)仿真,并確保在0.13μm CMOS工藝和1.8V-3.6V條件下,在-35℃到105℃溫度范圍內(nèi)頻率的溫度系數(shù)不超過±1.5%。最后流片,并對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文反饋回路補(bǔ)償設(shè)計(jì)[11-12]和數(shù)字控制調(diào)節(jié)補(bǔ)償設(shè)計(jì)。這兩類方法都能實(shí)現(xiàn)振蕩器輸出時(shí)鐘在較大的溫度變化范圍內(nèi)保持在一個(gè)穩(wěn)定的變動(dòng)范圍非常小的頻率上。1.2.1 自校準(zhǔn)回路溫度補(bǔ)償方法分析一種常見的自校準(zhǔn)回路溫度補(bǔ)償方法是利用積分器設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)回路對(duì)參考電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而通過校準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。圖 1-1[13]所示的設(shè)計(jì)就是對(duì)典型的張弛振蕩器的兩個(gè)比較器的正端輸入，利用積分運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一個(gè)誤差反饋回路“IEF”模塊，通過調(diào)節(jié) Vc1和 Vc2節(jié)點(diǎn)的峰值電壓來改變比較器輸出沿的延時(shí)，從而達(dá)到對(duì) RS 觸發(fā)器的置位和復(fù)位延時(shí)的自校準(zhǔn)。流片測(cè)試結(jié)果顯示在-20℃到 100℃溫度范圍內(nèi)，輸出頻率變化不超過±0.13%。但是這個(gè)設(shè)計(jì)的參考電壓生成使用了運(yùn)算放大器，其失調(diào)電壓的變化會(huì)對(duì)最終頻率產(chǎn)生影響，而運(yùn)放的延時(shí)倒可以被 IEF 電路實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)，因而運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。另外這個(gè)設(shè)計(jì)使用了四個(gè)運(yùn)放，面積和功耗都不會(huì)小，對(duì)于低功耗和低成本設(shè)計(jì)來說不合適。

圖 1-2 積分運(yùn)算電壓反饋溫度補(bǔ)償經(jīng)典張弛振蕩器設(shè)計(jì)Fig.1-2 Classical relaxation oscillator with temperature compensation by Integral operation voltagefeedback該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的RC振蕩器在-30℃到120℃溫度范圍內(nèi)獲得了±0.5%的頻率穩(wěn)定性，比圖 1-1 的設(shè)計(jì)簡化了很多，只用到一個(gè)積分運(yùn)算放大器。而且采用了數(shù)字輔助電路對(duì)輸出頻率進(jìn)行了處理。但該輔助設(shè)計(jì)的運(yùn)用延時(shí)的方法對(duì)時(shí)鐘處理并得到多個(gè)時(shí)鐘輸出反饋回主體設(shè)計(jì)中對(duì)開關(guān)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，這對(duì)時(shí)鐘延時(shí)的實(shí)現(xiàn)要求較高，在各種極端情況下容易失配而增加反饋補(bǔ)償機(jī)制的誤差。再有就是積分運(yùn)算放大器的運(yùn)用給 RC 振蕩器的面積以及功耗都有不小的成本增加。此外，還有其他類似的研究和實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[15-16]的設(shè)計(jì)思路就是設(shè)計(jì)一個(gè)反饋回路并實(shí)現(xiàn)輸出頻率能鎖定在一個(gè)溫度不敏感的輸入?yún)⒖茧妷荷�。為此設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出頻率轉(zhuǎn)換為電壓的轉(zhuǎn)換電路，并且利用積分運(yùn)算設(shè)計(jì)成線性溫度補(bǔ)償電路，最終消除頻率對(duì)溫度的敏感性，，但是面積和功耗都不小。1.2.2 數(shù)字調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償方法分析為了降低設(shè)計(jì)難度、面積和功耗，越來越多 RC 振蕩器的溫度補(bǔ)償方法采用
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN752

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張科峰;林映嫣;張兢;劉三清;;具有外同步功能的窗口比較式CMOS振蕩器的設(shè)計(jì)[J];微電子學(xué)與計(jì)算機(jī);2007年12期

本文編號(hào)：2689842