：基于当前一些高集成度高精度应用领域时钟信号大量需求的目的，介绍了一种具有高阶温度补偿的高精度RC振荡器。文中所设计的电流源电路采取了3阶温度补偿的方法，可以大大降低电路对气温变化的敏感性，利用具有超低温度系数的电流对电容进行充放电，实现在较宽的温度范围内振荡器频率的高稳定性。仿真根据结果得出：在电源电压范围为2.5 V~5.5 V，温度范围为-40 ℃~125 ℃，及不同的工艺角下，输出频率精度保持在±0.25%以内。该RC振荡器具有高精度的输出频率，能够作为一些数模混合电路的时钟信号。
振荡器作为一种时钟信号电路，是许多电子系统重要组成部分。随着集成电路的加快速度进行发展，振荡器会在数字及数模混合集成电路中扮演非常非常重要的角色。因此，需要一种高稳定高精度的可集成的振荡器。
振荡器是在不外加输入信号的条件下，可仅仅依靠电路自激振荡而产生具有周期性的信号。一般地，晶体振荡器的频率较为稳定，但不能集成到芯片内部，而且精度只与所选择的晶体器件的固有频率有关[1]。RC振荡器结构相对比较简单、成本低廉，因而受到十分普遍的应用，但其振荡频率易受电压和气温变化的影响，其次也与电阻和电容与工艺有关系[2,3]。
文章介绍的电路，其电路的内部电流源电路采取高阶温度补偿的设计的具体方案，得到在较宽的温度范围内具有与温度无关的电流源电路。此外，针对工艺会带来的偏差，采用电流数字修调电路来提高振荡器频率的稳定性。
RC振荡器的工作原理：假设初始状态的RS锁存器的输出端Q=0，整型反向器的输出端CLK=0、CLKN=1。此时，开关管M1导通，M2关断，充电电流Ic对电容C1进行充电，电容两端电压一直上升，与此同时，开关管M3关断，M4导通，电容C2同过开关管M4对地进行放电直到0 V。当电容C1两端电压上升至Vref时，比较器Comp2的输出跳变为1，此时RS锁存器的输出为Q=1，整型反向器的输出端CLK=1、CLKN=0，开关管M3导通，M4关断，充电电流Ic对电容C2进行充电，此时电容C1两端的电压对地进行放电直至到0 V。当电容C2两端电压等于Vref时，比较器Comp1输出发生改变，变为1，而此时RS锁存器的输出变为Q=0，整型反向器的输出端CLK=0、CLKN=1，电路回到了初始状态，电容完成一个充放电周期，电路形成一个振荡周期，如此往复循环，使RC振荡器以一定的频率不断进行。
根据前面的分析以及电容的充放电特性可知，电容完成充电时间t1和放电时间t2为：
其中，C为电容的容值； ΔU为电容两端的电压差值。当充放电电流Ic为固定值，一个完整的电容充放电的周期T=t1+t2。
式3中，Ic是电流源电流，即也是充电电流，Vref为带隙基准电压值，C为电容值。当电容C1和C2两端电压与Vref相等时，充电电流Ic停止对电容充电，随之电容开始对地放电直至电容两端电压为0，随后充电电流为另一电容充电，两个电容的充放电时间为一个振荡周期。
在一些高精度的应用领域，时钟信号在抗工艺漂移（P）、电源电压（V）、温度（T）变化时要满足高精度的要求，因此这也是RC振荡器的设计难点和重点。使用CMOS工艺可有效提高系统集成度和减少相关成本，但是，实现高精度振荡器面临的以上的问题，因此，现阶段也是主要从工艺漂移（P）、电源电压（V）、温度（T）这3 个方面解决输出频率的稳定性[4-9]。
为使RC振荡器的工作电压受电源电压的影响较小，采用LDO电路的输出电压作为振荡器的电源电压；同时设计具有3阶温度补偿的电流源电路使得输出频率也与气温变化不相关；为避免数字电路对模拟电路性能的影响，设计低通滤波器将模拟电路与数字电路隔离起来；最后，设计电流数字修调电路使得振荡器电路得到精度较高的输出频率。
电压基准电路为电流型低压带隙基准，根据其原理为，能够获得具有零温度系数的电流ID2。如图2 所示。
Vref和Vref1均是1阶温度系数为零的基准电压，它们被用作电流源电路的采样电压，对应的电路如图3所示。
在现有的文献中，一些具有相反温度特性的器件被组合起来以获得良好的温度特性[8-9]。而R7，R8分别为两个相反温度特性的电阻叠加而成，这里做了简化处理。此时，得到的电流I1和I2均为2阶温度系数为零的电流，但其值不同。为得到具有3阶温度系数的电流I3，能够最终靠I1减去适当比例的I2即可得到。
LDO稳压器即低压差线性稳压器。它以结构相对比较简单、低压差、输出电压受电源电压的变化影响较小而得到普遍运用。如图4 所示，它主要由误差放大器、功率管、反馈电阻等组成。由于误差放大器、功率管Mp、电阻R1和R2组成了负反馈结构，利用负反馈机制能够获得输出稳定且的电压[10]。因此，LDO的输出电压可当作振荡器的电源电压。通过一系列分析能够获得输出电压表达式为：
由上述分析可知，当LDO输出电压VOUT变大时，经过反馈电阻分压，误差运放的负输入端也会变大，此时误差运放输出变大，使功率管VGS变小，流过功率管的电流减小，进而减小输出电压VOUT的值，反之亦然。
因此，LDO电路能得到稳定的输出电压，受电源电压和温度的影响几乎不变的电压值，并将这个电压值作为RC 振荡器的核心模块的电源电压。
文中RC振荡器电路系统含有模拟电路和数字电路，振荡器的核心电路主要为数字电路，而它的电源电压由模拟电路LDO的输出电压V
进行供电，此外，电压基准及电流源电路也为模拟电路。但是，由于数字电路发生高低电位转换时，会导致电源上发生一定的抖动，该抖动会直接传递到LDO的输出端，进而会影响到模拟电路的性能。可以将模拟电路与数字电路隔离，如图5所示。
采用工作于线性区的PMO 管和NMOS电容形成一个RC低通滤波器的方式，对模拟电路与数字电路进行隔离。仿真根据结果得出，当数字电路的电源有抖动噪声产生时，采用这样的形式可以有明显效果地的改善电源抖动现象，优化了模拟电路的性能。
实际上，整个电路的设计，再到最后的仿真验证过程中，在不考虑数字修调模块的情况下，RC 振荡器电路也能实现功能。但是，由于存在工艺漂移，电阻和电容的误差失配，影响输出频率的精度。因此，能够使用将电路的充放电电流、电阻和电容阵列进行修调的方法[11-13]。
文中的数字修调电路采取8位修调信号来控制PMOS开关管的导通与关断，每一位控制一个开关管。当输出信号频率减小时，会打开更多开关，会使充电电流Ic增大，输出频率增大。理论上修调位数越多，振荡器的精度越高。如图6所示。
文章采用CSMC 0.18 μmCMOS工艺，仿真结果和数据由Cadence Spectre电路仿真工具所得到。电流源电路采取3 阶温度补偿结构， 当气温变化从-40℃~125℃时， 误差不超过0.8%，表明该电流源电路具备优秀能力的温度特性。如图7所示。
LDO输出电压的精度可以用线性调整率来衡量，线性调整率越小，LDO输出电压精度越高。仿真根据结果得出，线 mV/V，误差不超过0.5%。如图8 所示。
在温度为-40℃~125℃，电源电压为2.5 V~5.5 V 的情况下，RC 振荡器的输出频率的结果。如表1 所示。
文中采用CSMC 0.18 μm CMOS 工艺，采用高阶温度补偿电流源以及电流数字修调技术，实现了一种具有高阶温度补偿高精度的RC 振荡器。仿真根据结果得出：在电源电压为2.5 V~5.5 V，温度为-40℃~125℃ 条件下，振荡器输出中心频率保持在±0.25% 以内。该电路可集成应用到一些较为复杂的系统中，如可作为数模转换器（ADC）的内部时钟，也可集成单独的时钟芯片。
