体积不断缩小的物联网节点对芯片大小的要求变得越来越苛刻,为了节省外部时钟晶体,片上RC振荡器成为有效的替代方案。然而,温度、电压变化和内部噪声都会引起RC振荡器的频率偏差,当频率偏差积累产生较大计时误差时,会出现信号收发失配、数据丢包等严重问题。针对上述情况,本文设计了一种能够进行实时频率校准及锁定的高稳定性RC时钟振荡器。负反馈的锁频环路避免了频率偏差的累积,改善了内部噪声决定的长期稳定性,是输出高稳定性时钟的基础。针对开环RC振荡器抖动累积和比较器设计折衷的问题,本文基于传统RC双支路充放电结构,引入误差放大器和压控振荡器的组合来替代传统比较器产生时钟。一方面消除了比较器延时对频率的绝对影响和功耗折衷问题;另一方面组成了锁频环路,通过开关电容将输出频率实时转化为误差电压,进行误差放大,产生控制电压控制时钟频率。对于自校准RC振荡器的时钟稳定性,本文分析并总结了频率偏差与非理想因素的具体关系,其中包括失调电压、电阻温漂、时钟耦合、高温漏电和电流镜复制偏差,通过分析这些因素关于温度、电源电压的依赖关系,最终提出了频率的温度稳定性和电源电压稳定性的关系式。在此分析基础上,针对充放电支路存在的温度、电源电压稳定性的矛盾,提出了具有斩波结构的电流镜和对称的开关阵列结构,解决了时钟耦合、高温漏电及电流镜复制偏差的矛盾,保证了充放电电流的恒定比例关系。对于具有明显线性温度系数的电阻和失调电压,设计了线性温度补偿的电阻阵列,获得最小的频率温漂,并设计了两点修调电路,改善了工艺失配造成的线性系数不匹配,保证各个工艺角下的高稳定性。基于TSMC40nm工艺,设计了具有自校准频率锁定功能的高稳定性RC振荡器,面积为0.0986mm~2,在TT工艺角0.7V电源电压的条件下,输出33k Hz的目标频率,仅消耗68n W的静态功耗。在-40℃～90℃的全温度范围内,振荡器频率偏差约为0.16%,具有12.3ppm/℃的频率温度系数;在0.7V～1V的电源电压范围内,振荡器频率偏差仅为0.042%,折合约为0.13%/V的线稳定性;在间隔时间τ≥1s后,Allan偏差基底仅为7ppm。综合来看,自校准频率锁定的RC振荡器在工艺、环境温度、电源电压和噪声影响下均能够输出具有高稳定性的时钟。