Повышение частотной стабильности кольцевого генератора



В статье рассматриваются методы конструирования инверторов в кольцевых генераторах интегральных микросхем, обеспечивающих высокую стабильность частоты при изменении температуры и напряжения питания. Предложена методика для расчёта частоты генератора и времён задержек для каждого рассмотренного типа инвертора. Разработан и спроектирован кольцевой генератор по технологии КМОП ИС 0,6 мкм при помощи Cadence Virtuoso. Приведены результаты моделирования зависимостей частоты от изменения температуры и напряжения питания двух рассмотренных структур инвертора.

Ключевые слова: кольцевой генератор, осциллятор, частотная нестабильность, инвертор, КМОП.

Генераторы (осцилляторы) широко используются в различной электронной аппаратуре и интегральных микросхемах [1]. Колебательные процессы присущи многим физическим системам, особенно электронным и оптическим. Генераторы часто подвергаются нежелательным возмущениям и шумам, приводящим к изменению частоты в широком диапазоне. Сильное отклонение частоты недопустимо во многих электронных приборах, особенно в цифровых схемах, в которых выполнение всех операций по обработке цифровых сигналов должно осуществляться синхронно и последовательно [2]. Поэтому повышению стабильности работы КМОП ИС и их элементов в настоящее время уделяется существенное внимание [3–6], поскольку это позволяет не только улучшить их характеристики, но и повысить надежность приборов. Данная работа посвящена разработке и проектированию кольцевого генератора с повышенной частотной стабильностью по технологии КМОП ИС с проектными нормами 0,6 мкм.

Существует множество генераторов с высокой стабилизацией частоты, но именно кольцевые генераторы являются лучшим решением для цифровых электронных схем, которые работают на фиксированной тактовой частоте, необходимой для синхронизации операций [7]. Кольцевые генераторы могут быть интегрированы в общую структуру ИС, поэтому они обладают преимуществом перед релаксационными генераторами, для которых требуется кварцевый резонатор. Кольцевые генераторы представляют собой каскадную комбинацию инверторов, соединённых в замкнутую цепь. На рисунке 1 представлена структура кольцевого генератора.

Рис. 1. Структура кольцевого генератора

Для получения самоподдерживающих колебаний количество инверторов N должно быть чётным. Частота колебаний осциллятора зависит от времени задержки инверторов t _{delay 1} и логического элемента 2И-НЕ t _{delay 2} :

(1)

Как правило, кольцевые генераторы строятся из КМОП инверторов, состоящих из p и n-канальных МОП транзисторов (рис. 2) [1,7].

Рис. 2. Структура КМОП инвертора

КМОП инверторы занимают малую площадь на кристалле, обладают высоким быстродействием, малой рассеиваемой мощностью. Проектируя кольцевой генератор на основе КМОП инвертора, можно получить максимально возможную частоту колебаний, однако данный инвертор чувствителен к напряжению питанию и температуре.

Из-за наличия паразитных емкостей затвор-исток (С _gs ) и затвор-сток (C _gd ) переключение инверторов с единичного уровня в нулевой или наоборот происходит не мгновенно. Время задержки распространения определяется по формуле [8]:

(2)

где τ _PHL — время задержки переключения инвертора из состояния логической единицы в состояние логического нуля,

τ _PLH — время задержки переключения инвертора из состояния логической нуля в состояние логической единицы.

Времена задержки переключения КМОП инвертора рассчитываются по формулам [8]:

(3)

где C _L — суммарная ёмкость нагрузки,

U _DD — напряжение источника питания КМОП инвертора,

U _{th - nmos} — пороговое напряжение включения n-канального МОП транзистора,

μ _n — подвижность носителей заряда n-канального МОП транзистора (электронов),

C _ox — ёмкость подзатворной области,

W — ширина канала МОП транзистора,

L — длина канала МОП транзистора,

(4)

(5)

(6)

U _{th - pmos} — пороговое напряжение включения p-канального МОП транзистора,

μ _p — подвижность носителей заряда p-канального МОП транзистора (дырок),

(7)

Повышения стабильности частоты генератора можно добиться, используя структуру инвертора с токовым зеркалом или с токовым истощением (от англ. inverter current straved) [9]. На рисунке 3 изображена схема структуры инвертора с токовым истощением.

Рис. 3. Структура инвертора с токовым истощением

Данная структура имеет свои недостатки: резкое снижение быстродействия из-за того, что токовое зеркало ограничивает ток, протекающий через инвертор, высокая рассеиваемая мощность из-за прохождения постоянного тока через схему управления.

Задержки переключения инвертора с токовым истощением рассчитываются по формулам [9]:

(8)

(9)

Для достижения компромисса между высоким быстродействием КМОП структуры и частотной стабильностью структуры с токовым истощением возможно объединение двух структур инверторов в комбинированную структуру [10]. На рисунке 4 изображена схема комбинированной структуры инвертора.

Рис. 4. Комбинированная структура инвертора

Время задержки распространения комбинированного инвертора рассчитывается, как сумма задержек трёх инверторов [10]:

(10)

где t _{delay cmos 1 —} время задержки переключения первой ступени,

t _{delay current straved —} время задержки переключения второй ступени,

t _{delay cmos 2 —} время задержки переключения третий ступени.

Объединение двух структур инверторов улучшает характеристики генератора по многим параметрам. Сравнение характеристик структур инверторов приведено в таблице 1 [8].

Таблица 1

Характеристики инверторов

Характеристика	КМОП	Токовое истощение	Комбинированная
Максимальная рабочая частота (f max ), ГГц	1.2	0.8	0.9
Нестабильность частоты (Δf gen /f gen ) от питающего напряжения U n ± 0.3 В, %	13	7	5
Нестабильность частоты (Δf gen /f gen ) от температуры T A ± 30 °C, %	7	5	3
Потребляемая мощность, мкВт	19	120	76
Фазовый шум, дБ	-106	-110	-106
THD, %	8	6	5

Для наглядной демонстрации преимуществ использования комбинированной структуры инвертора был разработан и спроектирован кольцевой генератор по технологии КМОП 0.6 мкм с тактовой частотой 7.5 МГц и постоянным напряжением питания 3.3 В. На рисунке 5 изображена тестовая ячейка кольцевого генератора на кристалле.

Рис. 5. Тестовая ячейка кольцевого генератора на кристалле

С помощью моделирования рассчитаны времена задержек элементов кольцевого генератора. Время задержки инвертора со структурой КМОП составило 1,2 нс, а логического элемента 2И-НЕ 1,4 нс, поэтому для реализации кольцевого генератора на КМОП инверторах понадобилось 54 инвертора:

МГц

Время задержки инвертора с комбинированной структурой составляет 10,54 нс. Таким образом, для кольцевого генератора на инверторах с комбинированной структурой необходимо 6 инверторов:

МГц

Были проведены измерения частот генераторов при различных температурах и питающих напряжениях. Сравнение изменения частоты кольцевых генераторов от температуры и напряжения питания представлены на рисунках 6, 7 соответственно.

Рис. 6. Сравнение изменения частоты кольцевых генераторов от температуры

Рис. 7. Сравнение изменения частоты кольцевых генераторов от напряжения питания U _DD

Изменение частоты кольцевого генератора на комбинированных инверторах составляет 8.3 КГц/°C, 122.3 КГц/0.1В, а для осциллятора, собранного на КМОП инверторах 30.2 КГц/°C, 209.1 КГц/0.1В.

При анализе результатов моделирования можно сделать вывод о том, что кольцевой генератор, собранный на инверторах с комбинированной структурой, обладает высокой стабильностью частоты от изменения температуры и питающего напряжения. Окончательный выбор одной из рассмотренных структур инверторов зависит от технического задания и необходимых характеристик генератора, но определённо комбинированная структура выигрывает по большинству параметрам.

Литература:

1. Mandal, M.K. & Sarkar, B.C. (2010)«Ring oscillators: «Characteristics and applications»
2. Ishizaka, Kinya & Komatsu, Hiroaki. (2011). Clock Design Technology for High-Performance Processors. Fujitsu scientific & technical journal. 47. 136–141.
3. Strong A., Wu E., Vollertsen R., Sune J., Rosa G., Rauch S., Sullivan T. Reliability Wearout Mechanisms in Advanced CMOS Technologies. IEEE Press Series on Microelectronic Systems. Wiley, 2009, 624 p.
4. Andreev D. V., Bondarenko G. G., Andreev V. V., Maslovsky V. M., Stolyarov A. A. Modification of MIS Devices by Radio-Frequency Plasma Treatment // Acta Phys. Pol. A. 2019. Vol. 136. No. 2. P.263–266.
5. Andreev D. V., Bondarenko G. G., Andreev V. V., Stolyarov A. A. Use of High-Field Electron Injection into Dielectrics to Enhance Functional Capabilities of Radiation MOS Sensors // Sensors. 2020. V.20. Is.8. P.2382(1–11).
6. Andreev D. V., Bondarenko G. G., Andreev V. V., Stolyarov A. A. Modification of thin oxide films of MOS structure by high-field injection and irradiation // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 110. P. 012041(1–6).
7. Vratislav MICHAL (2012) «On the Low-power Design, Stability Improvement and Frequency Estimation of the CMOS Ring Oscillator».
8. Soltani, M., Khatib, F. and Seyyed Mahdavi Chabok, S.J. (2020), «High-performance combined ring oscillators», COMPEL — The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, Vol. 39 No. 3, pp. 535–550.
9. Suman, Shruti & Sharma, K & Ghosh, Pradip. (2016). Analysis and Design of Current Starved Ring VCO.
10. Ramazani, Abbas & Biabanifard, Sadegh & Hadidi, Gholamreza. (2014). CMOS Ring Oscillator with Combined Delay Stages. AEU — International Journal of Electronics and Communications.