JSSC 2019第2期Power Management0.18-µm

A Low-Power Differential Relaxation Oscillator With the Self-Threshold-Tracking

一种采用自阈值跟踪技术的低功耗差分弛豫振荡器

0.18-µm CMOS, 8.2-MHz, 46.3 µW, 7.66 ps rms抖动, -109 dBc/Hz相位噪声

弛豫振荡器低功耗频率稳定性自阈值跟踪噪声性能

▸创新点1：自阈值跟踪环路（系统创新） - 通过动态跟踪阈值电压，将基于逆变器的比较器的转换点设置为电源电压的固定比例，显著降低了工艺-电压-温度（PVT）依赖性，使电源灵敏度降低10倍至0.9%/0.1V，同时补偿比较器延迟，降低其功耗需求。

▸创新点2：摆幅提升技术（电路创新） - 采用电压摆幅增强技术优化振荡信号的幅度，有效改善长期频率稳定性和噪声性能，实现7.66 ps RMS周期抖动和-109 dBc/Hz @100 kHz相位噪声，Allan偏差噪声低至1.56 ppm。

▸创新点3：基于锁存的弛豫振荡器设计（电路创新） - 利用锁存结构加速状态转换速度，减少静态功耗，在0.18µm CMOS工艺下实现46.3µW超低功耗，功率效率达5.6 kHz/nW，FoM提升至160.8 dBc/Hz。

▸创新点4：无修调温度补偿（系统创新） - 在-20°C至100°C范围内仅通过架构设计实现123 ppm/°C的温度系数，无需额外修调电路，简化了生产校准流程。

Abstract

This paper presents a fully integrated, 8.2-MHz relaxation oscillator with a sel f-threshold-tracking loop and swing-boosting technique for improving its long-term frequency stability and noise performance. The proposed latch-based relax- ation oscillator increases the transition speed to reduce the static power consumption. To decrease the process–voltage– temperature dependence, we prop ose a self-threshold-tracking loop to ensure that the transition point of the inverter-based com- parator is