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Mediatek Inc.研究人员Keng-Jan Hsiao在2012年IEEE Symposium on VLSI Circuits上发表的论文

作者与发表信息
本研究的通讯作者为Keng-Jan Hsiao，所属机构为联发科技股份有限公司（Mediatek Inc.），论文发表于2012年IEEE Symposium on VLSI Circuits会议，标题为《A 32.4 ppm/°C 3.2-1.6V Self-Chopped Relaxation Oscillator with Adaptive Supply Generation》。

学术背景
本研究属于集成电路设计领域，聚焦于片上振荡器（on-chip oscillator）的频率稳定性优化问题。在低成本单芯片系统中，外部晶体振荡器（external-XO）的替代需求迫切，但传统设计面临温度与电源电压变化导致的频率漂移挑战。现有技术如[1]的宽电源范围振荡器温度稳定性不足，[2][3]的温度补偿方案则受限于窄电源范围，而[4]的跟踪环路需高精度带隙基准（BGR），成本高昂。本研究旨在开发一种兼顾宽电源范围（1.6-3.2V）与高温度稳定性（-20至100°C）的自斩波弛张振荡器（self-chopped relaxation oscillator），并引入自适应电源生成技术以降低设计复杂度。

研究流程与方法
1. 架构设计（图1）
- 核心模块：采用恒定跨导（constant-gm）偏置电路提供偏置电流Ib，电流模式比较器（current-mode comparator）[5]比较参考电压Vr与金属-金属（MOM）电容Cc的电压Vc。
- 频率公式：振荡频率由电阻Rc、充电电流Ic、偏置电流Ir及比较器延迟τ决定（公式1）。温度稳定性主要受电阻变化影响，因Ic/Ir比值与MOM电容温度特性稳定。
- 自斩波技术：通过开关（SW）周期性交换MOS管M0/M1的连接（图2），抵消输入失调电压Vos引起的频率漂移（公式2）。同时利用P型多晶硅电阻（Rp）与N型多晶硅电阻（Rn）的相反温度系数进一步稳定电阻值。

1. 自适应电源生成（图3）

   • 阈值跟踪环路：通过LD0生成参考电压Vbs，其值由恒定电流Ibs偏置的 dummy inverter（M2/M3a/M3b）产生，栅极以Vbn偏置使Vbs动态跟踪Vbn，确保比较器在临界区域的线性工作。
     
   • 时钟缓冲器优化：采用并联-串联反馈环路调节反相器工作点，使其转换阈值接近Vbn，从而保证时钟信号（vout）的稳定性。
     

2. 时钟生成电路（图4）

   • 复位信号vrst经延迟单元触发D触发器，生成二分频时钟后通过电平转换器（level shifter）与非重叠时钟发生器（non-overlapped clock generator）产生自斩波时钟对vchp/vchpb。
     

实验结果
1. 电源稳定性：在1.6-3.2V电源范围内，频率漂移<±0.1%（图5a）。
2. 温度稳定性：启用自斩波后，-20至100°C温度区间的频率漂移从±0.6%降至±0.1%（图5b），等效平均漂移32.4 ppm/°C，改善幅度达83%。
3. 性能对比（图6）：本设计在温度稳定性与电源范围上均优于文献[1]-[4]，且无需高精度BGR电路。
4. 芯片实现：采用60nm CMOS工艺，核心面积0.048 mm²，在1.6V电源下功耗仅2.8μA（图7）。

结论与价值
1. 科学价值：提出自斩波技术与自适应电源生成的协同设计方法，首次实现宽电源范围与高温度稳定性的统一，为低功耗时钟源设计提供新范式。
2. 应用价值：适用于电池供电的物联网设备，延长续航时间；小型化面积与低功耗特性契合可穿戴设备需求。

创新亮点
1. 自斩波技术：通过动态抵消MOS失配效应，将温度漂移降低83%。
2. 混合电阻补偿：结合Rp与Rn的互补温度系数，优化电阻稳定性。
3. 自适应电源：以简易LD0替代复杂BGR，降低成本的同时保证性能。

其他价值
- 论文提供了完整的时序分析（图2）与电路细节（图1/3/4），可作为弛张振荡器设计的工程参考。实验数据中明确的ppm级漂移指标对高精度应用具有指导意义。