一种应用于SD/MMC控制器的RC振荡器设计

骆建军，范旭东，刘海銮

(1.杭州电子科技大学微电子研究中心，浙江 杭州 310018；2.杭州华澜微电子股份有限公司，浙江 杭州 311215)

一种应用于SD/MMC控制器的RC振荡器设计

骆建军1，范旭东1，刘海銮2

(1.杭州电子科技大学微电子研究中心，浙江 杭州 310018；2.杭州华澜微电子股份有限公司，浙江 杭州 311215)

设计了一种数字可调RC振荡器电路，并将其集成于SD/MMC控制器芯片，用于产生对存储介质的控制时钟.该RC振荡器是一种张弛振荡器，使用内部MOS电容，可选择使用内部电阻或外部电阻，其内部电阻为3位可调节.使用Cadence Spectre仿真平台对所设计的电路进行仿真.最后，将所设计电路应用于基于SMIC 0.13 μm逻辑CMOS工艺的SD/MMC控制器芯片上，芯片测试结果表明，该振荡器的中心频率约为306 MHz，在-10～80 ℃的温度范围内精度达到±0.42%，满足应用要求.

RC振荡器；SD/MMC控制器芯片；频率可调

0 引 言

时钟信号是大规模数字集成电路的重要组成部分.RC振荡器因其结构简单、成本低、易于集成等优点，广泛应用于片上时钟产生电路.传统RC振荡器的输出频率受电路延时、工艺、电源及温度的影响，误差在1%～10%之间.国内外学者对RC振荡器的研究工作主要集中在提高其精度上.文献[1]设计了一种利用电压反馈控制的RC振荡器，通过采样自身输出信号的脉冲宽度，将其转换为电压信号，并与一个参考电压比较，纠正了由温度变化及电路延迟产生的频率误差.文献[2]提出了一种数字可调RC振荡器，通过仿真确定了振荡器频率在工艺、温度及电压变化时的误差，使用多晶硅可调电阻阵列消除了电源及工艺变化引起的误差.文献[3-4]通过对并联电流镜进行控制，改变振荡器的工作电流，实现对频率的修调.通过双比较器对称结构加RS触发器的设计，消除了比较器延迟带来的误差.文献[5]设计的RC振荡器应用于无线传感器，其结构能消除比较器输入失调电压的影响，提高了精度，并针对超低功耗应用进行了优化.文献[6]提出的自校准RC振荡器，利用环形振荡器感知环境温度的变化.计数器对环形振荡器输出信号周期进行计数，产生反馈信号，控制主RC振荡器的电容阵列，减小温度对输出频率的影响.

上述文献所设计的RC振荡器频率都低于20 MHz.在分析比较了各种RC振荡器结构的基础上，本文设计了一种高频数字可调RC振荡器，采用双比较器加RS触发器结构，可选择使用内部可调电阻或外部电阻对频率进行调节，降低了温度、电源电压以及工艺偏差对输出时钟频率的影响，提供了一个高频率高稳定度的片上时钟信号，并应用于SD/MMC控制器芯片内部.

1 电路设计

1.1 总体设计

恒定电流IC为电容C1，C2充电.PM5，PM6，NM3，NM4为电容充放电的控制开关.当CTL信号为低电平时，开关管PM5导通，PM6关断，电流IC全部流过PM5对电容C1充电.随着C1电压升高，CMP1电压逐渐降低.CMP1通过反相器接到开关管NM3栅极，NM3的栅极电压升高，最后使NM3导通，电容C1通过NM3放电.C1放电结束，CTL信号变为高电平，开关管PM5关断，PM6导通，电流IC全部流过PM6对C2充电，充放电过程同C1.随着电流IC轮流为C1，C2充电，RS触发器的输出端产生周期性的脉冲方波.C1，C2的充电周期分别为T1=C1VC/IC，T2=C2VC/IC.VC为电容充电使反相器发生翻转所需达到的电压.因此，脉冲方波的振荡周期为：

(1)

图1 电路总体结构

1.2 电阻部分设计

RC振荡器电阻部分设计如图2所示.rint_en为内部电阻使能信号.当rint_en信号为高电平时，NM19关断，NM18导通.RC振荡器使用内部多晶硅电阻控制电流IC，信号freq0，freq1，freq2控制开关管NM15，NM16和NM17以调节电流大小.当rint_en信号为低电平时，开关管NM19导通，NM18关断，RC振荡器使用外部电阻控制电容IC.此时，可通过选择适当的外部电阻，调节振荡器输出时钟的频率.

图2 电阻部分设计

1.3 运放及偏置电路

运放及其偏置电路设计如图3所示.运放采用折叠式共源共栅结构，由两级放大器构成.NM11和NM12构成输入差分对，是放大器的共源级，电阻R7为差分对提供尾电流.PM12和PM14构成电路的共栅增益级，PM11和PM13构成恒流源既作为第一级的有源负载同时也为第二级电路提供电流源，NM13和NM14为镜像电流源，作为电路的有源负载同时也起到双端转单端的作用.仿真结果表明，在VDD为1.2 V时，运放的直流增益为51.6 dB，相位裕度为72.1°，单位增益带宽达到153.9 kHz，满足电路精度和环路稳定性的要求.

图3 运放及偏置电路设计

1.4 主要参数设计

本文电路主要参数见表1.电容C1，C2是通过将NMOS管衬底、漏端和源端短接在一起而实现的.电容大小和充电电流的设定使振荡频率在300 MHz左右.电阻阻值的设定使阻值能够在3.77～8.18 kΩ之间以11%的步长进行调节.

表1 RC振荡器主要参数设计结果

2 仿真和测试结果的分析

本文电路基于SMIC 0.13 μm逻辑CMOS工艺，采用Cadence的Spectre进行仿真.设定各内部电阻大小为R0=0.63 kΩ，R1=1.27 kΩ，R2=2.51 kΩ，R3=3.77 kΩ.

另外，本文电路应用于基于SMIC 0.13 μm逻辑CMOS工艺的SD/MMC控制器芯片，流片后对实际芯片进行测试，测试环境示意图如图4所示.当主机对测试版进行数据读写时，SD/MMC控制器产生一个时钟信号CLK_Out(只在测试模式下输出).CLK_Out即为RC振荡器的输出时钟CK经过2分频后的输出，用于观察和测试，即CK频率是测量到的CLK_Out频率的2倍.用示波器(LeCroy HDO4054)测量得到时钟信号CLK_Out的频率.高低温试验箱(GDW-100C)用于控制SD/MMC控制器所处的环境温度.

图4 测试环境示意图

2.1 内阻-频率关系

图5 内阻-频率仿真及测试曲线

设置电源电压为1.2 V，仿真温度T=20 ℃，在不同数字修调值下对RC振荡器的输出频率CK进行仿真.实际测试时，设定高低温试验箱的温度为20 ℃.在固件中，设定rint_en为高电平，使能内部电阻调节频率.仿真及测试结果如图5所示.

仿真及测试结果显示，数字修调能够有效调节RC振荡器的输出频率，频率变化在227.74～356.33 MHz之间.对于常见的存储介质如闪存(Flash Memory)，其对时钟信号的频率的要求在0～200 MHz之间.通过内部电阻的修调，加上后续分频电路的设计，RC振荡器的输出频率能够满足存储介质对时钟信号频率的要求.

2.2 温度-频率关系

设置电源电压为1.2 V，数字修调值为100，温度步长为10 ℃.在-10～80 ℃温度范围内对RC振荡器进行仿真，CKa和CKb分别为最差和最好情况工艺参数下得到的仿真频率.CKt为使用同样条件对实际芯片进行测试所得频率.仿真及测试数据如表2所示.

表2 RC振荡器输出频率仿真及测试结果

图6 振荡器输出频率仿真及测试曲线

数据结果表明，在-10～80 ℃温度范围内，仿真频率CKa偏差在±3.3%以内，CKb偏差在±2.2%以内.频率偏差可通过适当修调内部电阻或通过外部电阻进行减小.实测频率CKt变化值约为2.54 MHz，温度系数约为9.25×10-5/℃，频率偏差约为±0.42%.对于存储介质的时钟控制信号而言，RC振荡器的频率精度能够满足工作需要.

图6为RC振荡器输出时钟频率温度特性的仿真与测试曲线对比图.图6中，实际芯片测试得到频率曲线夹在2条仿真曲线的中间，说明实际工艺参数处于最坏和最好情形之间，而且，曲线的斜率平缓，说明参数更加稳定，精度更高.

3 芯片性能比较和版图设计

不同文献的振荡器之间性能比较如表3所示.这些文献中只有文献[3]是实际芯片测试结果，其余都只是仿真结果，这些结果均采用低频率下的振荡器，而没有超过20 MHz的高可靠RC振荡器(时钟源)设计.由表3可知，本文设计的RC振荡器输出频率较大，达到了306 MHz左右，而且稳定性在同一数量级.采用高频时钟源也可以产生等效的低频时钟，如果把本文306 MHz时钟进行30分频，则可得到文献[1]等效的10 MHz时钟，时钟精度可以达到±0.42%，高于文献[1]时钟精度.

表3 振荡器性能比较的仿真数据

本文设计的RC振荡器电路基于SMIC 0.13 μm逻辑CMOS工艺绘制版图，并集成于SD/MMC控制器芯片.振荡器在SD/MMC控制器芯片中对应的版图如图7所示.

图7 振荡器在SD/MMC控制器芯片中对应的版图

4 结束语

本文设计了一种数字可调RC振荡器，通过固件设计或焊接不同的外部电阻能够调节振荡器输出频率，以满足应用需要.本RC振荡器已经成功集成于SD/MMC控制器芯片中，初步实现了工业化应用.

[1]SATO H, TAKAGI S. Frequency-to-voltage converter for temperature compensation of CMOS RC relaxation oscillator[C]// Circuits and Systems (APCCAS), 2014 IEEE Asia Pacific Conference on. Ishigaki: IEEE, 2014: 41-44.

[2]ZHANG J H, WANG B, PENG Y, et al. A 800nW high-accuracy RC oscillator with resistor calibration for RFID[C]// ASIC (ASICON), 2013 IEEE 10th International Conference on. Shenzhen: IEEE, 2013: 1-4.

[3]WANG B, KO M L, YAN Q. A high-accuracy CMOS on-chip RC oscillator[C]// Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2010 10th IEEE International Conference on. Shanghai: IEEE, 2010: 400-402.

[4]周小军,李平,杜涛.一种高精度数字可调RC振荡器设计[J].电子科技,2007(9):13-16.

[5]PAIDIMARRI A, GRIFFITH D, WANG A, et al. An RC Oscillator With Comparator Offset Cancellation[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2016, 51(8): 1866-1877.

[6]WANG J C, KOH L H, GOH W L. A 13.8-MHz RC oscillator with self-calibration for ±0.4% temperature stability from -55 to 125 ℃[C]// Electron Devices and Solid-State Circuits (EDSSC), 2015 IEEE International Conference on. Singapore: IEEE, 2015: 423-426.

[7]BEHZAD R. Design of Analog CMOS and Integrated Circuits[M]. International Edition: McGraw-Hill, 2001:135-139.

Design of Digital-trim RC Oscillator which Used in SD/MMC Controller

LUO Jianjun1, FAN Xudong1, LIU Hailuan2

(1.Micro-electronicsResearchInstitute,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China; 2.SageMicroelectronicsCorporation,HangzhouZhejiang311215,China)

In this paper, a RC oscillator circuit is designed and used as a control clock of the SD/MMC controller. The RC oscillator is a relaxation oscillator using MOS capacitors and a 3-bit trimming resistor array as the trimming object. It also can use an external resistor to set the oscillator current. The SPICE simulation results show that the RC oscillator can meet the needs. The oscillator was fabricated in SMIC 0.13 μm logic CMOS process. Experimental results show that the oscillator operates at a typical frequency 306 MHz, and it had a frequency variation of only ±0.42% over the temperature range of -10 ℃ to 80 ℃. All performance satisfies the specification.

RC oscillator; SD/MMC controller; digital-trim

10.13954/j.cnki.hdu.2017.01.002

2016-09-18

浙江省固态存储和数据安全关键技术重点科技创新团队资助项目(2013TD03)；浙江省固态硬盘和数据安全技术重点实验室资助项目(2015E10003)

骆建军(1970-)，男，浙江诸暨人，教授，固态硬盘和数据安全.

TN75

A

1001-9146(2017)01-0006-05