RC-генераторы могут быть маленькими или точными, и теперь это может быть и то, и другое после того, как Делфтский технологический университет*, Silicon Integrated и Университет Цинхуа представили RC-генератор 10 МГц с точностью ±0,28% в диапазоне от -45 до 125 ° В после одноточечной подстройки, изготавливается с толщиной 0,01 мм.2 площадь основания в стандартной CMOS 0,18 мкм.
Схема позволяет избежать необходимости в резисторах с противоположными температурными коэффициентами, которые доступны не во всех процессах.
Вместо этого он использует контур частотной автоподстройки частоты, в котором RC и переключатель действуют как преобразователь частоты в напряжение для генератора (см. схему).
Полученное напряжение сравнивается с другим, на этот раз от потенциометра, состоящего из R1, резистора p-poly (-0,02%/°C) и резистора R2 из регулируемой комбинации p-poly и n-poly (-0,15%/°C). С).
Генератор управляется напряжением и управляется разностью (через интегратор) между напряжением, полученным с помощью RC, и напряжением потенциометра, что создает контур частотной автоподстройки частоты.
C в RC представляет собой конденсатор металл-изолятор-металл с коэффициентом ~ 30 частей на миллион / ° C, а R - еще один p-полирезистор -0,02% / ° C.
Благодаря продуманному дизайну резистор R2 можно настроить так, чтобы он сохранял то же значение сопротивления, но его коэффициент менялся от -40 ppm/°C до 40 ppm/°C за 16 шагов с помощью цифрового кода подстройки, что позволяет подстраивать температурный коэффициент всего генератора, что позволяет в целом дрейф должен быть сведен к минимуму.
Поскольку C реализован как емкостный ЦАП, частота также может регулироваться цифровым способом.
Потребление блока 100 x 100 мкм составляет 27,5 мкА в аналоговом режиме плюс 29,2 мкА в цифровом (больше всего для выходного буфера) от 1,5 В. От 1,5 до 1,8 В сдвиг частоты составляет 2700 частей на миллион.
Температурная характеристика представляет собой холм, с 9,987 МГц (в среднем) при -40 и +125 ° C и 10,01 МГц при 40 ° C с повышением температуры или 10,02 МГц при 40 ° C с понижением температуры - разные значения являются результатом гистерезис (1500 ppm в худшем случае).
Старение при 150°С в течение недели выявило дрейф, который находится в стадии разработки.
В другом документе о RC-генераторе на ISSCC 2023, Университет Иллинойса, Урбана подробно изучил старение RC-генераторов, указал пальцем на дрейф резисторов p-poly и представил генератор на 100 МГц с погрешностью ± 1030 ppm в диапазоне от -40 до 85 °. C после выдержки при 125°C в течение 500 часов.
Его компенсационная схема позволила добиться дрейфа при температуре 125°C за 1000 часов 500 ppm по сравнению с 5000 ppm стареющего дрейфа без компенсации.
Конструкция также представляет собой контур автоподстройки частоты, но без опорного напряжения с поправкой на температурную характеристику.
Это гораздо более сложный осциллятор, чем приведенный выше, в итоге занимающий 0,22 мм.2 на 65-нм кристалле CMOS, упакованном в пластиковый QFN.
Было обнаружено много вещей, которые можно использовать для повышения точности с течением времени.
Один из выводов заключался в том, что резисторы p-poly с возрастом сильно дрейфуют, в то время как резисторы n-poly и переходные резисторы лучше.
Другой заключался в том, что ток в одном направлении через некоторые компоненты на кристалле заставляет их стареть в одном направлении, иногда из-за электромиграции, поэтому они меньше дрейфуют, если архитектура заставляет ток течь в обоих направлениях во время цикла генератора.
Третье важное открытие заключалось в том, что простая работа приводит к дрейфу RC-генератора с течением времени, в то время как генератор без питания на той же подложке дрейфует гораздо меньше.
Вооружившись последней порцией информации, окончательный проект имеет постоянно работающий осциллятор, а также еще один осциллятор, который запускается лишь на короткое время (раз в час) с рабочим циклом 0,1%. Этот выход этого «молодого» генератора используется для обновления калибровки непрерывного генератора.
Потребление 1,4 мкВт/МГц.
ISSCC 2023, документ 3.4
0,01 мм2 Опорная частота RC 10 МГц с погрешностью ±0,28 % в диапазоне от -45°C до 125°C в 0,18 мкм CMOS с коррекцией по одной точке на кристалле
ISSCC 2023, документ 3.5
RC-генератор мощностью 1,4 мкВт/МГц с частотой 100 МГц и погрешностью ±1030 частей на миллион от -40°C до 85°C после ускоренного старения в течение 500 часов при 125°C
* см. также статью Delft University of Technology in Electronics Weekly об усилителе класса D ISSCC 2023 здесь
Международная конференция IEEE по твердотельным схемам, ежегодно проводимая в Сан-Франциско, представляет собой мировую выставку аналоговых, цифровых и радиочастотных схем на основе интегральных схем. Это дает возможность инженерам по проектированию интегральных схем и схем поддерживать техническую актуальность и общаться с экспертами.
Читать полную новость на сайте
