振荡器自问世以来,应用的范围就不断得到扩展。随着科技的进步和人们生活方式的变化,不断出现的新应用对电路中振荡器的性能要求也越来越高,所以国内外的学者们对它的研究从来都没有停止过——因为一种振荡器如果在某方面具有优势,那么在另一方面则难免带有这样那样的问题,"鱼"和"熊掌"不可得兼。具体说来,LC振荡器频率稳定,占用的芯片面积却很大,功耗也比较高(如几十μA的工作电流);晶体振荡器虽然能够提供较为理想的振荡源,却无法用标准的CMOS工艺集成到芯片内,即使采用MEMS工艺技术集成到芯片内部,也因高昂的成本而无法成为客户的首选。因此,一种集成度高、功耗低、频率稳定、成本也低的振荡器一直是许多电路设计者们不懈努力的方向和目标。基于以上这几个方面的考虑,本文对CMOS反相器级联而成的简单环形振荡器进行了温度和工艺的双重补偿。在这种补偿的过程中主要做了三项关键性的工作:(1)研究环形振荡器的频率温度特性和压控特性。频率温度特性是指环形振荡器在控制电压(即电源电压)一定的时候,其输出频率随温度的变化以及受工艺随机偏差影响的情况,而压控特性则是指在环形振荡器输出频率保持恒定的条件下,其控制电压应该随温度和工艺偏差做如何变化,这时环形振荡器就不言而喻地被当作压控振荡器来处理了。(2)分析了 MOS器件关键参数和BJT(双极型晶体管)基射极电压(集电极电流一定的条件下)随温度和工艺的变化情况,在此基础上设计了适当的补偿电压产生电路。(3)运用最小二乘法的原理,将不同的补偿电压以合适的系数进行线性组合,由此构成的电压在相当大的程度上接近环形振荡器的压控特性,由此达到对环形振荡器进行温度和工艺双重补偿的目的。本文的成果——带有温度和工艺双重补偿的环形振荡器,在不同的工艺角和温度组合下,最大频率偏差为1.5%(前仿真结果)和1.7%(后仿真结果),而在tt工艺角和-20℃到80℃的温度区间内,频率偏差仅有3‰,工作电流在400·600μA范围内(常温下为520μA左右)。整个电路基于SMIC 0.18μm混合信号CMOS工艺,在Cadence平台上进行设计、前仿真、版图设计和后仿真验证通过。