0.18μm CMOS工艺的低功耗环形振荡器：电源电压与温度补偿设计

本文介绍了一种创新的低功耗环形振荡器电路设计，其主要特点是具有电源电压和温度补偿功能。电路的核心设计理念在于利用反相器的特性来抵消外部因素对振荡频率的影响。设计中，振荡器采用了受限于PTAT电流的反相器和普通CMOS反相器级联的结构。PTAT电流源为反相器链的第一级提供电流，而后续的反相器作为普通工作单元，其传播延时受电源电压和温度的影响是相反的。 电路的关键部分包括基准电流源，它产生与温度成正比的电流，为反相器提供动态电流基准。第一级反相器作为电流受限型，它的输出节点电流受PTAT电流影响，使得其充放电时间与温度成反比。这意味着随着温度的变化，反相器的延迟会发生调整，从而保持振荡频率相对稳定。 在实际应用中，电路采用了0.18微米CMOS工艺，经过测试，在5V电源电压和27℃的条件下，振荡器能产生263kHz的输出频率，同时保持较低的平均电流消耗，仅为2.5A。电路的稳定性得到了验证，即使在电源电压范围3.5V至5.5V和温度变化范围-40℃至85℃之间，输出频率的偏差也保持在很小的范围，仅为-2.3%至6.5%。 这种设计的优势在于，通过精确的电流和电压控制，能够在不同电源电压和温度条件下提供稳定的时钟信号，这对于高度集成的微控制器（MCU）来说尤其重要，因为它能够减少外部时钟源的需求，降低功耗，同时提升芯片的可靠性和集成度。整个设计过程充分考虑了电路的性能优化和可靠性，是现代高性能MCU设计中的一种重要解决方案。