摘 要： 提出了基于TSMC 0.18 μm RF CMOS工艺带温度补偿高精度振荡器的设计方案。针对射频电子标签应用的设计要求，选用改进型的双电容张弛振荡器结构。通过温度补偿作用，参考电压与输出电流受电源影响较小，保证了振荡器输出频率的稳定性。使用SPECTRE工具对电路进行仿真，在1.8 V电源电压下，-25～100 ℃范围内，中心频率为1.92 MHz时最大偏差小于±0.75%，达到使用的要求，并在此基础上完成电路的版图。
关键词： 双电容振荡器； 带隙基准； 电压比较器； 温度补偿
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0133?03
Design of oscillator with temperature compensation for RFID tags
SHI Le， YANG Fa?shun， LU An?jiang， LEI Tao
（Key Laboratory of Micro?Nano?Electronics and Software Technology of Guizhou Province， Guizhou University， Guiyang 550025， China）
Abstract： Based on TSMC′s 0.18 μm RF CMOS process， a desidn scheme of high?accuracy oscillator with temperature compensation is presented. A structure of the improved double?capacitor relaxation oscillator was chosen to meet the design requirements of the RFID tags. In order to guarantee the stability of the oscillator output frequency， the temperature compensation technology was adopted in the oscillator to minimize the effect of power surply on reference voltage and output current. The SPECTRE tool was used for circuit simulation. The result indicates that the maximum frequency deviation is less than ±0.75% at 1.92 MHz center frequency when the circuit works at 1.8 V and the temperature range is -25～100 ℃. It meets the application requirement. On the basis of the simulation， the layout diagram was accomplished.
Keywords： double?capacitor oscillator； band?gap reference； voltage comparator； temperature compensation
0 引 言
射频识别（RFID）技术具有识读距离远、速度快等优点，已逐渐开始在供应链、物流、仓储管理及物品跟踪等领域得到广泛应用[1]。因此，设计一个应用于射频电子标签中的高精度时钟电路有着重要意义。
传统的分立元件电路的时钟参考是石英晶体振荡器，它的性能非常稳定， 振荡频率几乎不随电源电压、温度和工艺的变化。但是它不能集成在芯片系统内部，导致整体成本也随之增加，一款可集成于芯片内部、成本低廉的高性能时钟参考电路的挑战正在于此。常用的片上时钟发生器有环形振荡器和张弛振荡器两种振荡结构。环形振荡器是由奇数个CMOS反相器级联而成的，每级反相器都带一个负载电容，振荡周期是电源到电容进行充电的上升过程和电容到地进行放电的下降过程共同决定[2]。张弛振荡器较环形振荡器虽然在稳定性上有所提升[3]，但是他们的传统结构都对电源电压有较大的依赖性，且受温度影响严重，不利于实现高性能芯片的整体设计。
本文采用双电容张弛振荡结构[4]，较标准的张弛振荡器有较大改进，对基准电压和调整电流进行温度补偿，使电路的时钟输出频率与工作电压和偏置电流不相关，从而抑制了电源的波动和偏差。
1 电路设计与原理分析
1.1 振荡器的基本原理
本文采用的振荡器电路的主要结构如图1所示。
在图1的振荡电路中，两个比较器和SR锁存器形成了整个电路的振荡机制。基准电压源不仅能为电容在充放电过程中的电压比较提供一个高精度的参考[5]，同时通过一个电压—电流转换电路，还能够为电容提供充放电电流。电路的大致工作过程如下：假设在初始状态下， 锁存器输出端[Q]为高电平，[Q]为低电平。反相器B的NMOS导通，电容[C2]上的电荷很快完成放电，此时反相器A的PMOS管导通，流过PMOS管的电流对[C1]进行充电。当[V1>Vref]时，比较器A输出高电平，通过反相器的缓冲作用，锁存器[Q]端为低电平，[Q]端为高电平。接下来的[C1]和[C2]的过程刚好相反，直至回到起始状态完成一次循环，即一个周期。则在理想情况下的周期表达式为[6]：
